Бактерии, инкубированные с бактериофагами в космосе, накапливали мутации, отличные от земных, что подчеркивает влияние микрогравитации на микрорганизмы.
Около шести лет назад Шриватсан Раман, биохимик из Университета Висконсин-Мэдисон (США), и его коллеги отправились на базу НАСА в Вирджинии. Стоя в миле от стартовой площадки центра, исследователи наблюдали за взлетающей ракетой. Внутри этой ракеты находились пробирки с бактериями и вирусами-бактериофагами, упакованными и замороженными несколько недель назад. «Это было очень сюрреалистично... Эта простая коробка, которая стояла на полке в моей лаборатории, теперь находится на борту ракеты», - вспоминает Раман.
Проведя эксперименты с микробами после их возвращения на Землю, Раман и его сотрудники обнаружили, что динамика взаимодействия вирусов и бактерий в космосе отличается от динамики в земных условиях. Кроме того, микробы приобретали разные мутации на Земле и в космосе. Результаты, опубликованные в журнале PLoS Biology, закладывают основу для будущих исследований того, как космические условия влияют на взаимодействие фаг-хозяин в сообществах комменсальных микроорганизмов. «Насколько я знаю, о взаимодействии вирусов и микробов в космосе известно не так уж много», - говорит Роза Сантомартино, космический биолог и биотехнолог из Корнельского университета (США), которая не принимала участия в исследовании. «Так что с этой точки зрения [данное исследование] - это шаг вперед по сравнению с тем, что мы знаем».
Все началось с того, что группа Рамана попыталась выяснить, как микрогравитация повлияет на микробиом астронавтов, состоящий как из бактерий, так и из бактериофагов. На Земле бактерии и фаги перемещаются и сталкиваются друг с другом. «В микрогравитации свойства их смешивания отличаются», - объясняет Раман. «Поэтому мы задались вопросом, как изменится взаимодействие фаг-хозяин в микробиоме [в космосе]». Это положило начало серии экспериментов на Земле, после чего было получено разрешение на отправку смеси бактерий и бактериофагов на борт Международной космической станции. Разработать жизнеспособный план было непросто, вспоминает Раман. «Доставка грузов на Международную космическую станцию очень дорогая», - говорит он. «Поэтому [НАСА] сказало, что вы можете проводить эксперименты до тех пор, пока можете уместить их в крошечной коробке».
Проведя несколько экспериментов, Раман и его коллеги разработали небольшую и простую установку. Они смешивали определенный объем бактерий Escherichia coli с различными количествами фагов T7, замораживали пробирки и отправляли их в НАСА, чтобы изучить, как микрогравитация влияет на заражение бактерий бактериофагами. На борту Международной космической станции астронавты размораживали пробирки и инкубировали их в течение разных периодов времени, после чего замораживали и отправляли обратно на Землю. Получив пробирки из космоса, Раман и его сотрудники размораживали образцы и либо измеряли количество фагов и бактерий, либо выделяли из них ДНК. В качестве контроля исследователи провели тот же эксперимент с образцами на Земле.
Типирование фагов и бактерий, инкубированных на Земле, показало, что заражение фагами происходило в период от двух до четырех часов. В отличие от этого, микробы, инкубированные в космосе, инфицировались с задержкой, что говорит о том, что активность бактериофага Т7 снижается в условиях микрогравитации. Однако, несмотря на изначально замедленную активность, T7 в конечном итоге успешно инфицировал E. coli.
Затем Раман и его коллеги попытались определить мутации в геномах бактерий и фагов, которые влияют на их взаимодействие. Секвенирование целых геномов показало, что E. coli и T7 накапливали разные генетические мутации в космосе и на Земле. Если бактериофаги, инкубируемые в космосе, приобретали мутации, повышающие их способность связываться с бактериальными клетками, то в микрогравитации накапливались бактериальные мутации, помогающие микробам справляться с экологическим стрессом и противостоять вирусной инфекции.
Чтобы лучше понять взаимодействие бактерий и фагов в условиях микрогравитации, исследователи применили высокопроизводительный метод, называемый глубоким мутационным сканированием, к рецепторному связывающему белку T7, который распознает и связывается с поверхностью E. coli. Они заметили значительные различия в количестве и расположении мутаций между земными условиями и условиями микрогравитации. Мутации, накопленные в условиях микрогравитации, облегчали связывание фага с рецептором хозяина, что повышало инфекционность фага в космосе.
Наконец, исследователи выяснили, сможет ли обогащение этих мутаций повысить активность фагов на Земле. Они создали библиотеку, содержащую некоторые из мутаций, отобранных с помощью микрогравитации, и обработали ими клинически выделенные E. coli, вызывающие инфекции мочевыводящих путей. Эти фаги заражали штаммы кишечной палочки, которые были устойчивы к фагам T7 дикого типа, что свидетельствует о том, что микрогравитация обогащает вирусные мутации, повышающие земную инфекционную активность. «Мы совсем не ожидали увидеть такое», - говорит Раман. «Это говорит о том, что можно взять природные фаги, модифицировать их и сделать высокоэффективными против патогенов».
По мнению Сантомартино, полученные результаты интригуют. Хотя пока еще рано говорить о том, что данные исследования могут найти применение в борьбе с устойчивостью к противомикробным препаратам, «это определенно шаг вперед в этом направлении», - отметила она. Более того, эти результаты показывают, что микробиомы кишечника астронавтов могут накапливать мутации, что требует дальнейших исследований того, что происходит с их микробиомами, когда они возвращаются на Землю. Несмотря на это, она отметила, что исследователи использовали только один вид бактерий и бактериофагов, что не дает полной картины динамики всего сообщества.
"Мы едва нащупали поверхность. Это едва ли отражает всю сложность микробиома", - соглашается Раман. "Но эта очень редукционистская система все равно информативна. Она говорит нам о том, что здесь действует нечто принципиально иное".
