A Estação Espacial Internacional (ISS) é um ecossistema fechado no qual os organismos (incluindo os seus habitantes microbianos) não se comportam necessariamente da mesma forma que no nosso planeta natal.
Para entender melhor como microrganismo Pesquisadores da Universidade de Wisconsin-Madison estudaram bacteriófagos (vírus que infectam bactérias, também chamados de bacteriófagos) no mesmo ambiente no espaço. estação espacial internacional na terra. Suas descobertas foram publicadas recentemente na revista Biologia PLOS, Mostrando que a microgravidade pode atrasar a infecção, remodelar a evolução de fagos e bactérias e até revelar combinações de genes que podem ajudar a combater bactérias relacionadas a doenças na Terra.
“Estudar sistemas de fagos-bactérias no espaço é mais do que uma curiosidade astrobiológica; é uma maneira prática de compreender e prever como os ecossistemas microbianos se comportarão em espaçonaves e de descobrir novas soluções para a terapêutica doméstica de fagos e engenharia de microbiomas”, disse o Dr. Phil Huss, professor da Universidade de Wisconsin-Madison e um dos principais autores do estudo, ao Space.com.
Noções básicas de fago
Bacteriófagos, ou bacteriófagos, são as entidades biológicas mais abundantes na Terra, Especialistas estimam cerca de 1031 Ou um bilhão de fagos na Terra. Não é de surpreender que o nome fago signifique “comedor de bactérias”, e eles estão por toda parte, moldando ecossistemas microbianos nos oceanos, no solo e até mesmo em nossos corpos. Mas um lugar onde os fagos podem ter o maior impacto sobre os seres humanos é tão possível tratamento Combate bactérias resistentes a antibióticos e outras infecções bacterianas.
Esses fagos funcionam como minúsculos “sistemas de entrega” envoltos em proteínas. Mas, ao contrário dos entregadores que entregam pizza gourmet, alguns fagos, como o fago T7 usado neste estudo, infectam bactérias ao: Anexar a recursos de superfície específicos em uma célula (geralmente uma molécula embutida na membrana externa da célula bacteriana) e injeta seu material genético. Uma vez lá dentro, o fago sequestra a maquinaria da bactéria para fazer muitas cópias de si mesmo. Finalmente, explode a célula bacteriana e libera uma nova onda de partículas fágicas que podem infectar bactérias próximas.
Este processo de ataque específico pelo fago inicia então corrida armamentista evolutiva Há uma diferença entre fagos e bactérias, pois as bactérias podem desenvolver resistência a esses ataques, alterando ou ocultando as “plataformas de pouso” dos fagos encontradas na superfície de suas células.
Quando a microgravidade entra em ação, as coisas ficam ainda mais complicadas.
Vírus e bactérias lutam em órbita
Para estudar como a microgravidade afeta esse processo os pesquisadores usaram um bacteriófago chamado T7 e sua presa bacteriana E. coli, ou o nome mais comum E. coli. Para isolar os efeitos da microgravidade da forma mais limpa possível, a equipe preparou dois conjuntos de tubos de amostras bacterianas idênticos, sem agitar, e os incubou na mesma temperatura por uma, duas ou quatro horas, e por um período de tempo mais longo (23 dias). um conjunto de tubos Fui para a Estação Espacial Internacional em 2020,Depende de Corporação Northrop GrummanNG-13 Nave espacial Cygnus enquanto o outro permanece abaixo da terra.
“O experimento teve que ser realizado sob estritas restrições da NASA: os criotubos selados tiveram que passar por testes de biocompatibilidade e vazamento, resistir a vários ciclos de congelamento e descongelamento e permanecer seguros em órbita”, explica Huss. “O tamanho da amostra é muito menor do que estamos acostumados em terra, e projetar o experimento em torno disso foi muito desafiador!”
A equipe também alterou o fago com E. coli Portanto, espera-se que algumas amostras com mais fagos sejam infectadas rapidamente, enquanto outras demoram mais e mostram uma dinâmica mais forte.
Como as duas experiências não puderam ser perfeitamente paralelizadas, a equipa registou os tempos exatos de incubação na ISS e depois combinou-os na Terra, uma solução alternativa comum para muitas experiências biológicas da ISS.
A microgravidade retarda as interações
Sob condições típicas de laboratório da Terra, o fago T7 pode infectar e matar E. coli células em menos de uma hora, tendo em conta Ciclo de vida do fago. Mas numa configuração onde o sistema está completamente selado e livre de vibrações, simulando condições de microgravidade, o sistema global move-se mais lentamente.
Na Terra, os controles mostraram um aumento na infecção bacteriana dentro de duas a quatro horas, mas na microgravidade esse aumento não ocorreu durante nenhum dos períodos mais curtos de incubação, sugerindo um processo de infecção por fagos. desacelerou. Porém, os frascos de incubação mais longos contavam uma história diferente, já que após 23 dias em órbita, o processo de infecção foi bem sucedido e demorou menos tempo. E. coli Encontrado em frascos.
Então, por que os pesquisadores acham que a desaceleração está acontecendo?
“Nós levantamos a hipótese de que a mistura de fluidos na microgravidade é reduzida devido à ausência de convecção impulsionada pela gravidade, reduzindo assim a taxa de encontro entre fagos e bactérias, e que o estresse induzido pela microgravidade no hospedeiro pode alterar a expressão do receptor ou processos intracelulares, retardando ainda mais a infecção produtiva”, acrescentou Hus.
Por outras palavras, na microgravidade, os fagos e as bactérias não colidem com tanta frequência, e as bactérias podem ter evoluído para serem mais resistentes ao ataque dos fagos, tornando a infecção mais difícil, pelo que o ciclo global começa mais tarde do que na Terra.
mutação de microgravidade
Após 23 dias, a equipe analisou a composição genética do fago e descobriu que seu genoma estava mutado, mas com mutações específicas da microgravidade, principalmente em genes relacionados à estrutura e às interações do hospedeiro. Essas mutações mudam a forma como os fagos infectam as bactérias.
“Para mim, uma das descobertas mais surpreendentes não é apenas que as mutações aparecem nos genomas dos fagos, mas que a microgravidade empurrou a evolução para cantos dos fagos que ainda não entendemos completamente”, disse Huss.
De acordo com as suas descobertas, a microgravidade pode não só mudar rapidamente A ocorrência da infecção também depende de quais genes do vírus mais importante Quando se trata de infectar com sucesso um hospedeiro bacteriano.
“Estamos apenas começando a arranhar a superfície”, disse o Dr. Srivatsan Raman, da Universidade de Wisconsin-Madison, outro autor principal do estudo, ao Space.com. “Só precisamos fazer mais experimentos em condições mais complexas”.
Os fagos não são os únicos a mudar; as bactérias também parecem estar evoluindo. esse E. coli As bactérias expostas aos fagos acumularam mais mutações do que as bactérias não ameaçadas pelos fagos, o que é consistente com as pressões seletivas que impulsionam uma corrida armamentista evolutiva.
Algumas das mudanças mais marcantes afetaram genes associados à membrana externa, alterando potencialmente a ligação dos fagos e ajudando as bactérias a resistir ao estresse.
“A microgravidade não apenas desacelera, mas remodela qualitativamente a coevolução fago-hospedeiro, desde a dinâmica da infecção até genes e mutações específicas importantes”, observou Hus.
Microgravidade como caminho a seguir para a medicina da Terra?
Use um método chamado Varredura profunda de mutaçõesA equipe examinou mais de 1.600 variantes mutantes no genoma do fago e descobriu que as mutações “vencedoras” na microgravidade eram significativamente diferentes daquelas da Terra.
“Nossos resultados apoiam a microgravidade como um claro A seleção de ambientes revela diferentes partes do cenário de fitness que não podemos capturar em terra”, disse Huss.
Os pesquisadores usam essas mutações para criar fagos alterados e testá-los patogenicidade do trato urinário E. coli – variedade E. coli Relacionado a infecções do trato urinário – Maior resistência ao ataque do fago T7. Os resultados mostraram que esses vírus alterados poderiam matar bactérias resistentes aos medicamentos.
“Descobrimos em nosso estudo que fagos mutantes enriquecidos em microgravidade podem tratar bactérias do trato urinário e matá-las”, disse Raman. “Portanto, isto diz-nos que as condições de microgravidade as tornam relevantes para o tratamento de agentes patogénicos na Terra”.
Isto tem implicações importantes para possíveis tratamentos futuros doenças bacterianas Na Terra, do envenenamento por salmonela à pneumonia e à sepse. Mas os testes adicionais necessários para atingir este objetivo podem ser complicados.
“Realizar estas experiências na Estação Espacial Internacional não é uma tarefa fácil”, acrescentou Raman. “Quer dizer, foram necessários anos de planejamento e houve muitos desafios logísticos a serem superados. Para fazer esses experimentos, na verdade é um pouco difícil fazê-los de maneira convencional.”
Qual é o futuro da indústria aeroespacial?
Do microscópico ao macroscópico, estes resultados sugerem que os micróbios espaciais não permanecem estacionários, mas adaptam-se e evoluem de formas específicas da microgravidade.
“Nossos dados mostram claramente que os micróbios podem se adaptar rapidamente à microgravidade de maneiras inesperadas”, acrescentou Hus. “Em princípio, estes mesmos stresses poderiam enriquecer características com as quais nos preocupamos aqui na Terra, incluindo resistência a medicamentos ou virulência alterada. Esta é uma trajetória evolutiva plausível que experiências futuras devem testar ativamente, monitorizando a suscetibilidade aos antibióticos, as respostas ao stress e as interações competitivas ao longo do tempo.”
Será que estas adaptações representam realmente uma ameaça para os humanos em missões espaciais de longa duração? É possível, mas para Raman são necessários mais testes antes que uma conclusão possa ser tirada.
“Os patógenos estão sempre evoluindo”, disse Raman. “Acho que deveríamos fazer mais pesquisas para ver se as bactérias podem desenvolver mutações que as tornem mais patogênicas na microgravidade. Esses não foram os experimentos que realmente realizamos neste estudo.
“Mas as bactérias são muito resistentes e estão sempre a evoluir. Por isso, não descartaria esta possibilidade, mas, mais uma vez, é preciso fazer estas experiências rigorosas para perguntar: Podem as bactérias tornar-se patogénicas nas condições da ISS?”
Uma área de pesquisa espacial futura pode ser o estudo do microbioma humano, uma vez que atualmente não está claro como o microbioma evolui nas condições espaciais.
Os resultados desta pesquisa são mais positivos para os humanos na Terra, já que a microgravidade poderia ajudar os cientistas a desenvolver fagos que podem matar bactérias mais resistentes aos medicamentos.
“O verdadeiro poder dessas paisagens de aptidão derivadas do espaço é que elas não estão isoladas. Elas podem ser mescladas com os ricos conjuntos de dados terrestres que já temos para aprimorar estratégias de engenharia para casos de uso terapêutico. Esta é sem dúvida a conclusão mais imediatamente acionável”, disse Huss.
