A Estação Espacial Internacional (ISS) é um ecossistema fechado e a biologia a bordo – incluindo os seus residentes microbianos – não funciona necessariamente da mesma forma que no nosso próprio planeta.
Para entender melhor como Microrganismos Podendo agir de maneira diferente no espaço, pesquisadores da Universidade de Wisconsin-Madison estudaram bacteriófagos – vírus que infectam bactérias, também conhecidos como fagos – em ambos os sistemas semelhantes. ISS E na terra. Seus resultados, publicados recentemente na revista Biologia PLOS, A microgravidade pode atrasar infecções, remodelar a evolução de fagos e bactérias e revelar combinações de genes que podem ajudar na eficácia contra bactérias ligadas a doenças na Terra.
“Estudar sistemas de fago-bactérias no espaço não é de interesse apenas para a astrofísica; é uma maneira prática de compreender e antecipar como os ecossistemas microbianos funcionam no espaço e de explorar novas soluções para terapia fágica e engenharia microbiana em casa.” Professor da Universidade de Wisconsin-Madison e um dos principais autores do estudo, Dr. Bill Huss disse ao Space.com.
Noções básicas de bacteriófago
Os bacteriófagos, ou fagos, são os organismos mais abundantes do planeta. Especialistas estimam cerca de 1031 Ou os dez milhões de não-bacteriófagos da Terra. Os bacteriófagos, que significam literalmente “comedores de bactérias”, são encontrados em todos os lugares, e não é surpresa que eles moldem os ecossistemas microbianos em nossos oceanos, solos e até mesmo em nossos corpos. Mas um lugar onde os fagos podem ter um impacto humano maior é aquele Possível tratamento Contra bactérias resistentes a antibióticos e outras infecções bacterianas.
Esses fagos funcionam como minúsculos “sistemas de entrega” cobertos de proteínas. Mas, ao contrário de um entregador que entrega uma pizza deliciosa, alguns fagos (como o fago T7 usado neste estudo) infectam bactérias. Acoplamento com um recurso de superfície específico na célula – muitas vezes uma molécula embutida na membrana externa das células bacterianas – e injeta seu material genético. Uma vez lá dentro, o fago sequestra a maquinaria da bactéria e faz múltiplas cópias de si mesmo. Finalmente, ele rompe a célula bacteriana, liberando uma nova onda de partículas fágicas que podem infectar bactérias próximas.
Este processo de ataque específico de Page é incrível Uma corrida armamentista evolucionária Entre fagos e bactérias, as bactérias podem desenvolver resistência a esses ataques, alterando ou ocultando a “plataforma de pouso” do fago encontrada na superfície celular.
As coisas só ficam mais complicadas quando a microgravidade está envolvida.
Uma colisão vírus-bactéria em órbita
Para estudar como a microgravidade afeta esse processo os pesquisadores usaram um bacteriófago chamado T7 e sua presa bacteriana Escherichia coli, Ou como é comumente conhecido E. coli. Para isolar os efeitos da microgravidade da forma mais limpa possível, a equipe preparou dois tubos de amostras bacterianas idênticos e os incubou, sem agitar, na mesma temperatura por uma, duas ou quatro horas e por até 23 dias. Um conjunto de tubos Mudou-se para a ISS em 2020levado embora Northrop Grummando NG-13 Nave espacial Cygnus O outro tinha os pés no chão.
“O experimento teve que funcionar dentro das restrições estritas da NASA: os criotubos selados tiveram que passar por testes de biocompatibilidade e vazamento, resistir a vários ciclos de congelamento e descongelamento e ser seguros para serem manuseados em órbita”, explicou Huss. “O tamanho da amostra é muito menor do que estamos acostumados na Terra e projetar um experimento em torno disso é um desafio!”
A equipe também variou as taxas de abertura de página E. coli Portanto, espera-se que algumas amostras com alto teor de fagos sejam infectadas rapidamente, enquanto outras demoram mais e apresentam uma cinética mais forte.
Como as duas experiências não puderam decorrer em paralelo perfeito, a equipa registou os tempos exatos de incubação na ISS e depois projetou-os de volta para a Terra, uma solução comum para muitas experiências biológicas da ISS.
A microgravidade retarda as interações
Sob condições típicas de laboratório da Terra, os fagos T7 podem infectar e matar E. coli Dadas as células, dentro de uma hora Ciclo de vida de uma página. Mas na configuração do sistema completamente selada e sem vibrações, que imita as condições de microgravidade, o sistema como um todo se movia lentamente.
Na Terra, o grupo controle apresentou aumento de infecções bacterianas entre duas e quatro horas, mas na microgravidade o aumento não apareceu durante nenhum curto período de incubação, indicando o processo infeccioso dos fagos. tinha desacelerado. No entanto, frascos de incubação mais longos contaram uma história diferente e, após 23 dias em órbita, o processo de infecção teve menos sucesso. E. coli Disponível em frascos.
Então, por que os pesquisadores acham que a recessão ocorreu?
“A mistura de fluidos na microgravidade é reduzida porque não há convecção impulsionada pela gravidade, reduzindo a taxa de encontro entre fagos e bactérias, e a pressão induzida pela microgravidade no hospedeiro pode alterar a expressão do receptor ou processos intracelulares e reduzir a infecção produtiva”, acrescentou Huss.
Por outras palavras, na microgravidade, os fagos e as bactérias não colidem uns com os outros com tanta frequência, e as bactérias podem ter evoluído para serem mais resistentes aos ataques dos fagos, tornando a infecção mais difícil, pelo que todo o ciclo começa mais tarde do que na Terra.
Aberrações de microgravidade
Após 23 dias, a equipe analisou a composição genética dos fagos e encontrou mutações em todo o seu genoma, mas com mutações específicas da microgravidade, particularmente em genes ligados à estrutura e à interação do hospedeiro. Essas mutações mudaram a forma como o fago afetava as bactérias.
“Uma das descobertas mais surpreendentes para mim foi que não apenas as mutações apareceram em todo o genoma do fago, mas a microgravidade empurrou a evolução para cantos do fago que ainda não entendemos completamente”, disse Huss.
Com base nas suas descobertas, como a microgravidade não muda mais rápido A infecção ocorre, mas ocorre nos genomas do vírus Muito importante Quando uma bactéria infecta com sucesso um hospedeiro.
“Estamos apenas começando a arranhar a superfície”, disse o Dr. Srivathsan Raman, da Universidade de Wisconsin-Madison, outro autor principal do estudo, ao Space.com. “Precisamos fazer mais experimentos com condições mais complexas”.
Não são apenas os fagos que mudam, porque as bactérias também evoluem. O E. coli As bactérias expostas a fagos acumularam mais mutações do que as bactérias sem ameaças de fagos, consistente com a pressão de seleção que impulsiona as corridas armamentistas evolutivas.
Algumas mudanças notáveis afetam genes ligados às membranas externas, alterando a ligação dos fagos e ajudando as bactérias a sobreviver ao estresse.
“A microgravidade não apenas desacelera as coisas, mas também altera qualitativamente a coevolução fago-hospedeiro, desde a dinâmica da infecção até genes e mutações específicas”, observou Huss.
A microgravidade é o caminho a seguir para a medicina baseada na Terra?
Usando uma técnica chamada Varredura recíproca profundaA equipe examinou mais de 1.600 variantes mutacionais no genoma do fago e descobriu que as mutações que “vencem” na microgravidade diferem drasticamente daquelas da Terra.
“Nossos resultados apoiam a microgravidade Exclusivo “O ambiente de seleção expõe diferentes partes do cenário de fitness do que capturamos na Terra”, disse Huss.
Os pesquisadores usaram essas mutações para criar os fagos modificados que testaram Uropatogênico E. coli – Cepas E. coli Associados a infecções do trato urinário – são altamente resistentes a ataques de fagos T7. Os resultados mostraram que esses vírus modificados poderiam matar bactérias resistentes.
“Descobrimos no estudo que fagos mutantes enriquecidos em microgravidade poderiam tratar e matar bactérias uropáticas. Então, isso nos diz que há algo sobre as condições de microgravidade no tratamento de patógenos na Terra”, disse Raman.
Isto tem implicações importantes para possíveis tratamentos futuros Doenças bacterianas Aqui na Terra, tudo, desde envenenamento por salmonela até pneumonia e sepse. Mas realizar os testes adicionais necessários para chegar lá pode ser complicado.
“Realizar estas experiências na ISS não é normal”, acrescentou Raman. “Quero dizer, isso requer anos de planejamento e há muitos desafios logísticos. Executar esses experimentos, realizá-los rotineiramente, será na verdade um pouco mais desafiador de implementar.”
E quanto ao futuro das viagens espaciais?
Ampliando do microscópico para o macroscópico, esses resultados sugerem que os micróbios espaciais não são estáticos, mas sim se adaptam e evoluem de maneiras específicas da microgravidade.
“Nossos dados deixam claro que os micróbios podem se adaptar à gravidade microbiana rapidamente e de maneiras inesperadas”, acrescentou Huss. “Em princípio, os mesmos estresses poderiam melhorar as características que nos interessam na Terra, incluindo a resistência aos medicamentos ou a virulência alterada. Este é um caminho evolutivo plausível que experimentos futuros devem testar ativamente, monitorando a sensibilidade aos antibióticos, as respostas ao estresse e as interações competitivas ao longo do tempo.”
Poderiam estas adaptações representar realmente uma ameaça para os humanos em missões espaciais de longa duração? Talvez, mas para Raman, são necessários mais testes antes de chegar a essa conclusão.
“Os patógenos evoluem o tempo todo”, disse Raman. “Acho que precisamos fazer mais estudos para ver se as bactérias podem evoluir para mutações que as tornariam mais patogênicas em condições de microgravidade. Esses não são realmente os testes que fizemos neste estudo.
“Mas as bactérias são muito resistentes e evoluem o tempo todo. Portanto, não descartaria a possibilidade, mas, novamente, é preciso fazer estes testes rigorosos: uma bactéria pode se tornar um patógeno nas condições da ISS?”
Parte da futura investigação espacial poderá olhar para o microbioma humano, uma vez que a forma como o microbioma se desenvolve nas condições do espaço ainda não é bem compreendida.
Para os humanos na Terra, os resultados deste estudo são muito positivos, pois a microgravidade ajudará os cientistas a desenvolver fagos que podem destruir bactérias altamente resistentes.
“O verdadeiro poder dessas paisagens de fitness derivadas do espaço é que elas não são independentes. Elas podem ser combinadas com ricos conjuntos de dados de paisagens. Já deveríamos estar aprimorando estratégias de engenharia para casos de uso terapêutico. Isso é imediatamente acionável”, disse Huss.
