Международная космическая станция (МКС) - среда, в которой царят экстремальные условия, такие как микрогравитация, солнечная радиация и повышенный уровень CO2
представляет собой уникальное место для изучения выживания и адаптации микроорганизмов.
Недавние исследования показали, что микроорганизмы, подвергающиеся воздействию микрогравитации, могут приобретать резистентность к антибиотикам и повышенную вирулентность за счет быстрых мутаций и горизонтального переноса генов. Длительные космические путешествия в условиях микрогравитации также могут подорвать иммунную систему космонавтов, повышая их уязвимость к заболеваниям. Микробная популяция МКС может потенциально влиять на микробиомы космонавтов и пополняться с прибытием нового экипажа. Таким образом, понимание колонизации, сукцессии и взаимодействия микроорганизмов имеет ключевое значение для обеспечения благополучия космонавтов и управления микробными рисками в изолированных и замкнутых средах обитания человека. Настойчивые усилия были предприняты для мониторинга микробиома МКС посредством многочисленных миссий по отслеживанию микроорганизмов, идентификации новых микроорганизмов, изучения резистентности к антибиотикам и выявления микробных взаимодействий.
Микробные обитатели играют важную роль в влиянии на здоровье и самочувствие астронавтов на борту. Одним из микроорганизмов, представляющих особый интерес в нашем исследовании, является Enterobacter bugandensis, обнаруживаемый в основном в клинических образцах, включая желудочно-кишечный тракт, и обладающий патогенными свойствами, приводящими к множеству инфекций. Enterobacter bugandensis, недавно признанный вид, является одним из важных оппортунистических патогенов рода Enterobacter и выделялся преимущественно из клинических образцов. Виды этого грамотрицательного факультативного анаэробного рода обитают в различных средах, от почвы до кишечника человека. Кроме того, некоторые виды Enterobacter выступают в качестве оппортунистических патогенов человека, вызывая нозокомиальные инфекции с бактериемией, инфекции нижних дыхательных путей, остеомиелит, сепсис и инфекции мочевыводящих путей. Со временем у некоторых изолятов энтеробактерий стали проявляться механизмы множественной лекарственной резистентности (MDR), включая лактамазы расширенного спектра действия (ESBL), карбапенемазы, сверхэкспрессию AmpC и измененную проницаемость мембраны.
В недавних исследованиях сообщалось о выделении 13 штаммов E. bugandensis с множественной лекарственной резистентностью с борта МКС во время миссии Microbial Tracking 1 (MT-1). Зная о присутствии E. bugandensis на МКС, мы поставили перед собой главную цель - сравнить полученные на МКС геномы E. bugandensis с их наземными аналогами, уделяя особое внимание клиническим изолятам. Мы проследили эволюционную динамику ключевых генов, включая те, которые участвуют в предполагаемых функциональных адаптациях и потенциальных механизмах резистентности к противомикробным препаратам, возможно, обусловленных уникальными условиями космоса.
Расширяя наши исследования, мы изучили метагеномные прочтения, чтобы составить карту распространенности E. bugandensis в различных местах МКС и зафиксировать ее временную динамику. Кроме того, мы изучили существующие микробные сообщества E. bugandensis на МКС во время нескольких полетов и в разных местах МКС. Затем с помощью комбинации надежных вычислительных подходов были раскрыты сложные микробные взаимодействия E. bugandensis на МКС. Этот комплексный анализ не только проливает свет на то, как эти взаимодействия влияют на микробное разнообразие и способствуют потенциальной сукцессии E. bugandensis в уникальной среде обитания МКС, но и помогает в разработке стратегических профилактических мер против патогенных инфекций.
Отличаясь от своих земных собратьев, штаммы E. bugandensis с МКС продемонстрировали механизмы резистентности, которые относят их к группе патогенов ESKAPE - совокупности патогенов, признанных за их грозную устойчивость к противомикробным препаратам. Во время двухлетней миссии Microbial Tracking 1 из различных мест на МКС было выделено 13 штаммов E. bugandensis с множественной лекарственной резистентностью. Мы провели комплексное исследование, чтобы понять геномные особенности E. bugandensis, полученных с МКС, в сравнении с земными штаммами, уделяя особое внимание тем, которые ассоциируются с клиническими инфекциями. Мы раскрыли эволюционные траектории ключевых генов, особенно тех, которые способствуют функциональной адаптации и потенциальной резистентности к противомикробным препаратам.
Центральная гипотеза нашего исследования заключалась в том, что уникальная природа стрессов космической среды, отличная от земной, может быть причиной этих геномных адаптаций. Продолжая наше исследование, мы тщательно изучили распространенность и распределение E. bugandensis на МКС с течением времени. Этот временной анализ позволил получить представление о постоянстве, преемственности и потенциальных моделях колонизации E. bugandensis в космосе. Проведенный нами комплексный анализ позволил выявить не только то, как эти взаимодействия формируют микробное разнообразие, но и факторы, которые могут способствовать потенциальному доминированию и преемственности E. bugandensis в среде МКС.
Эти выводы имеют двоякое значение. Во-первых, они проливают свет на поведение, адаптацию и эволюцию микроорганизмов в экстремальных изолированных средах. Во-вторых, они подчеркивают необходимость принятия надежных профилактических мер, обеспечивающих здоровье и безопасность космонавтов за счет снижения рисков, связанных с потенциальными патогенами.
Благодаря синергетической интеграции геномики, метагеномики и метаболического моделирования мы раскрыли потенциальные стратегии, используемые E. bugandensis для адаптации и выживания в уникальной экосистеме МКС. Наш подход открывает перспективы для более широкого применения, особенно в наземных контролируемых условиях, таких как больничные палаты интенсивной терапии и хирургические операционные. В конечном итоге наши результаты прокладывают путь к более глубокому пониманию динамики микроорганизмов в экстремальных условиях, закладывают прочный фундамент для будущих гипотез и расширяют горизонты исследований в области микробной экологии.
