Не от мира сего: микроорганизмы в космосе
Куда бы ни отправились люди, они берут с собой микробов - в том числе и в космос.
Космические путешествия изменяют форму и функции микробных сообществ, живущих в, на и вокруг астронавтов, с потенциальными последствиями для здоровья как микроба, так и хозяина. До настоящего времени большинство исследований в области космической микробиологии проводилось с помощью наземных симуляторов и на борту Международной космической станции (МКС) - космического корабля, плавающего на низкой околоземной орбите (НОО) на высоте около 475 км над поверхностью планеты.
Однако в настоящее время ученые переключают свое внимание на длительные полеты в дальний космос, в том числе на Марс. Как эти путешествия могут повлиять на жизнедеятельность микроорганизмов и их взаимодействие с человеком? Исследователи все еще выясняют это. Ясно лишь то, что микробы могут стать ключевым фактором, благодаря которому полеты в дальний космос вообще могут состояться. Использование бактерий для производства фармацевтических препаратов и продуктов питания, а также использование микроорганизмов для синтеза прочных материалов - следующий рубеж в освоении космоса может зависеть от самых маленьких астронавтов.
"Если вы хотите жить и работать в космической среде, вы должны иметь очень полное понимание всех космических опасностей [и] того, как они влияют на микробы и поверхности [и организмы], с которыми они взаимодействуют", - говорит Джейми Фостер, профессор микробиологии из Университета Флориды.
Эксперименты в реальной и смоделированной космической среде показывают, что на рост, стрессовые реакции и морфологию микроорганизмов влияют космические условия, включая микрогравитацию и радиацию. Например, Фостер (изучающая симбиотические отношения между микроорганизмами и их хозяевами) и ее коллеги обнаружили, что имитация микрогравитации ускоряет отщепление везикул внешней мембраны и липополисахарида (ЛПС) Vibrio fischeri, биолюминесцентной бактерии, симбиотически колонизирующей световой орган кальмара бобтейла. Эти изменения могут быть связаны с обусловленными микрогравитацией изменениями в развитии светового органа кальмара, в котором V. fischeri играет ключевую роль.
В контексте здоровья человека космос также влияет на процессы, связанные с патогенезом бактерий и резистентностью к противомикробным препаратам (AMR). Например, по сравнению с бактериями на Земле, Salmonella typhimurium, выращенная на борту космического корабля STS-115, проявила повышенную вирулентность в модели мышиной инфекции. Это было вызвано повышением уровня Hfq, регулятора, который помогает бактериям реагировать на стресс окружающей среды.
В другом исследовании показано, что Escherichia coli, выращенная на МКС, адаптировалась к росту при более высоких концентрациях антибиотика гентамицина по сравнению с образцами на Земле. Это интригует, учитывая данные о том, что у астронавтов на борту МКС в слюне было обнаружено большее количество генетических маркеров AMR по сравнению с образцами, взятыми до полета. Кроме того, микробиом поверхности МКС (который в основном состоит из микробов, обитающих на коже человека) содержал маркеры резистентности к 17 классам лекарств, многие из которых входят в "аптечку" МКС, например, бета-лактамы и фторхинолоны.
Значит ли это, что бактерии в космосе более вирулентны и резистентны к лекарствам, чем на Земле? Связь между микробной адаптацией и здоровьем хозяина в космосе довольно туманна. Одно исследование показало, что потенциал микробной резистентности микробиома МКС был схож с контролем на Земле, что позволяет предположить, что угрозы AMR сопоставимы. Исследователи подчеркнули, что микробные адаптации, связанные с образованием биопленок и взаимодействием с поверхностью, могут представлять большую проблему для структурной целостности самой МКС и меньшую - для здоровья человека.
Астронавт NASA Шейн Кимброу на борту МКС проверяет образцы для исследования влияния микрогравитации на биопленки полости рта. Фото: NASA/Wikimedia Commons
Тем не менее, AMR - это только одна часть истории. Люди полны микробов, которые помогают регулировать все процессы - от пищеварения до иммунных реакций. Во время космических полетов у космонавтов нарушается врожденный и адаптивный иммунный ответ, а также возникают инфекции кожи, мочевыводящих путей и верхних дыхательных путей, среди прочих проблем. Виноваты ли в этом вызванные космосом изменения в их микробиоме?
Анализ микробиома 9 астронавтов, проведших 6-12 месяцев на борту МКС, выявил увеличение количества кожных бактерий, связанных с повышенной чувствительностью кожи или сыпью. В кишечнике также было больше бактерий, ассоциирующихся с воспалением кишечника (например, Parasutterella), и меньше бактерий с противовоспалительными свойствами (например, Fusicatenibacter и Pseudobutyvibrio). Исследователи заявили, что эти изменения "могут способствовать умеренному увеличению воспалительного иммунного ответа, наблюдаемого у экипажа во время космического полета".
Однако последствия этого и других исследований для здоровья человека в значительной степени умозрительны. Кроме того, изменения микробиома, связанные с космическим полетом, различаются между астронавтами, исследованиями и местами тела (например, кожа, кишечник или слюна). Неизменным является то, что микробиом космонавтов обычно возвращается к исходному уровню на Земле, что подчеркивает уникальное давление космоса. Лучшее понимание взаимосвязи между микробиомами астронавтов и здоровьем может помочь ученым планировать будущие космические миссии с учетом микробиологии.
На горизонте маячит новая эра космических путешествий, в которой миссии будут более продолжительными, а пункты назначения будут находиться на расстоянии миллионов километров. NASA разрабатывает технологии, которые позволят осуществить полет экипажа на Марс в течение следующего десятилетия. Что это будет означать для астронавтов и микробов, с которыми они взаимодействуют?
"Существует множество опасностей, о которых мы не знаем", - отмечает Фостер. "На НОО мы защищены нашей магнитосферой, мы защищены от космической радиации. Если мы выйдем за ее пределы, внезапно появятся галактические космические лучи, с которыми нам придется иметь дело, множество солнечных частиц, с которыми нам также придется иметь дело, и переменная гравитация" (т.е. астронавты будут испытывать микрогравитацию во время полета на Марс, но одну треть земной гравитации при посадке на планету).
По словам Кристофера Мейсона, профессора физиологии и биофизики в Weill Cornell Medicine, даже короткий полет за пределы высоты МКС влияет на различные аспекты физиологии человека и состав микробиома. Он указал на предварительное исследование с использованием образцов, взятых у экипажа 3-дневной миссии Inspiration компании SpaceX, который достиг высоты 590 км на пиковой орбите (более чем на 100 км выше, чем МКС). Наряду с другими физиологическими изменениями, включая изменения в сывороточных белках, связанных с иммунными реакциями, его команда наблюдала изменения в разнообразии и составе микробиома экипажа. В частности, они отметили увеличение количества альфапротеобактерий в различных участках тела, хотя им еще предстоит выяснить, что могут означать эти изменения. Отдельное наземное моделирование полета на Марс в оба конца показало, что в течение двух лет микробиота кишечника астронавтов была "по своей природе динамичной", с сильной межличностной изменчивостью. Однако некоторые ключевые микробы демонстрировали последовательные изменения (например, колебания бактерий, вырабатывающих бутират - соединение, важное для здоровья кишечника).
Эти результаты указывают на то, что полеты в дальний космос будут влиять на микробные сообщества, связанные с человеком, но пока неясно, будет ли это влияние отличаться от того, что наблюдается во время полетов на НОО (детали которых также пока остаются неясными). Однако выяснить это очень важно. Фостер считает, что "работа и жизнь... за пределами НОО [может] потребовать новых микробных методов лечения и вмешательства, которые нам не приходится делать на Земле". Она добавила, что стандартные пробиотические составы, используемые для пополнения полезных членов микробиома, быстро разрушатся во время полета за пределы НОО. Поэтому необходимы технологии, формирующие микробиом астронавтов, чтобы "восстановить виды, которые потенциально могут исчезнуть на полпути к Марсу". Это означает продолжение изучения того, как микробы реагируют на условия глубокого космоса, а также характеристику динамики на уровне сообществ.
Адам Аркин, профессор биоинженерии Калифорнийского университета, считает, что будущее зависит не только от изучения того, как микроорганизмы адаптируются к условиям дальнего космоса, но и от того, как их использовать, чтобы добраться туда. Вместо того чтобы брать с собой припасы в путешествия на далекие планеты, такие как Марс, Аркин и его коллеги изучают возможности использования микробов для производства продуктов питания, фармацевтических препаратов, строительных материалов, чистой воды и воздуха, используя ресурсы, добываемые на Красной планете (например, углерод, азот и свет, среди прочих). Это может снизить стоимость и повысить надежность полетов в дальний космос.
Исследователи уже добились прогресса в воплощении этих возможностей в реальность. Например, недавно ученые использовали бактерии для синтеза поли(3-гидроксибутирата) (PHB), распространенного биополимера, используемого в производстве. Процесс основан на автотрофной бактерии Sporomusa ovata, которая преобразует CO2 в ацетат. Затем ацетат используется аэробным организмом Cuprivadus basilenus для производства PHB. В настоящее время исследователи работают над созданием платформ, позволяющих производить широкий спектр пластмасс. Кроме того, команда Аркина сконструировала штамм фотосинтезирующей микроводоросли Arthrospira для выработки ацетаминофена.
Перечисленные выше возможности важны сами по себе, но Аркин и его коллеги-исследователи мыслят шире. "Мы создали серию технологий, каждая из которых дает возможность производить новую пищу, тип материала или поглощать больше веществ из атмосферы... [чтобы сформировать] интегрированную биопроизводственную установку", - пояснил он. По сути, эта установка представляет собой "автономную, надежную, программируемую [и] легко изменяемую" систему, оснащенную модулями для использования ресурсов in situ, производства и переработки продуктов питания, лекарств и биоматериалов.
Создание этой системы - не малый подвиг. Для этого необходимо тщательно рассчитать, какие материалы и продукты должны производиться для обеспечения длительных полетов, и выявить микробы, которые могут помочь их произвести. Проект находится в основном на концептуальной стадии. Тем не менее, Аркин и его коллеги работают над тем, чтобы отправить так называемую "биофабрику" в далекое будущее, превратив микробов из космических попутчиков в важных членов экипажа.
