國際空間站 (ISS) 是一個封閉的生態系統，其中的生物（包括其微生物居民）的行為方式不一定與我們的地球家園相同。
為了更好地理解如何 細菌 威斯康星大學麥迪遜分校的研究人員在相同的環境中研究了噬菌體（感染細菌的病毒，也稱為噬菌體），這些病毒在太空中的行為可能有所不同 國際空間站 在地球上。他們的研究結果最近發表在雜誌上 公共科學圖書館生物學, 表明微重力可以延遲感染，重塑噬菌體和細菌的進化，甚至揭示可能有助於對抗地球上與疾病相關的細菌的基因組合。
“對太空中噬菌體細菌系統的研究不僅僅是天體生物學的好奇心；它是理解和預測微生物生態系統在航天器上如何表現的實用方法，並為家庭噬菌體治療和微生物組工程找到新的解決方案。”威斯康星大學麥迪遜分校教授、該研究的主要作者之一菲爾·胡斯博士告訴 Space.com。
噬菌體基礎知識
噬菌體或噬菌體是地球上最豐富的生物實體， 專家估計大約有1031 或地球上十個非百萬個噬菌體。噬菌體這個名字的意思是“噬菌體”，它無處不在，它塑造了海洋、土壤甚至我們身體中的微生物生態系統，這並不奇怪。但噬菌體對人類影響最大的一個領域是作為 可能的治療 對抗抗生素耐藥細菌和其他細菌感染。
這些噬菌體充當包裹在蛋白質中的“小型遞送系統”。但與遞送美味披薩的送貨員不同，一些噬菌體（如本研究中使用的 T7 噬菌體）通過以下方式感染細菌： 對特定表面特徵的附著力 進入細胞（通常是嵌入細菌細胞外膜的分子）並註入其遺傳物質。一旦進入內部，噬菌體就會劫持細菌的機器來複製許多自身。最後，它會破裂細菌細胞並釋放出新一波可以感染附近細菌的噬菌體顆粒。
噬菌體的這一特定攻擊過程隨後開始 進化軍備競賽 噬菌體和細菌之間存在差異，因為細菌可以通過改變或隱藏細胞表面上發現的噬菌體“著陸槍”來對這些攻擊產生抵抗力。
當涉及微重力時，事情只會變得更加複雜。
病毒與細菌在軌道上的對決
為了研究微重力如何影響這一過程，研究人員使用了一種名為 T7 的噬菌體及其細菌獵物。 大腸桿菌， 或者更常見的名稱 大腸桿菌。 為了盡可能乾淨地隔離微重力的影響，研究小組準備了兩套相同的細菌樣本管，不搖動並在相同溫度下孵育一小時、兩小時或四小時，以及更長的23天。一組管道 2020年去了國際空間站執行者 諾斯羅普·格魯曼公司NG-13的 天鵝座航天器 而另一個則留在地球上。
胡斯解釋說：“該實驗必須在美國宇航局的嚴格限制範圍內進行：密封的冷凍管必須通過生物相容性和洩漏測試，能夠承受多次凍融循環，並且可以在軌道上安全處理。” “樣本量比我們在地球上習慣的要小得多，圍繞這個樣本設計一個實驗非常具有挑戰性！”
該團隊還改變了噬菌體的初始比例 大腸桿菌 因此，一些具有更多噬菌體的樣本預計會很快感染，而另一些樣本則需要更長的時間並表現出更強的動態。
由於這兩個實驗無法並行進行，因此該團隊在國際空間站上記錄了準確的孵化時間，然後在地球上進行匹配，這是許多國際空間站生物實驗的常見解決方案。
微重力減慢相互作用
在典型的地球實驗室條件下，T7噬菌體可以感染並殺死 大腸桿菌 細胞在不到一個小時內，給定 噬菌體生命週期。但在模擬微重力條件的系統全封閉、無擺動配置中，系統整體移動速度更慢。
在地球上，對照組在兩到四個小時內顯示出細菌感染的增加，但在微重力下，在任何較短的潛伏期內都沒有出現這種增加，這表明噬菌體感染過程 已經放慢了速度。然而，較長的孵化瓶卻講述了不同的故事，因為在軌道上 23 天后，感染過程成功了，並且花費更少。 大腸桿菌 在瓶子裡發現的。
那麼為什麼研究人員認為經濟放緩會發生呢？
胡斯補充說：“我們假設，由於沒有重力驅動的對流，微重力下的流體混合減少，從而降低了噬菌體和細菌之間的相遇率，並且微重力引起的對宿主的壓力可能會改變受體表達或細胞內過程，進一步減緩生產性感染。”
換句話說，在微重力下，噬菌體和細菌不會經常相互碰撞，並且細菌可能已經進化到對噬菌體攻擊具有更強的抵抗力，這使得感染更加困難，因此整個週期比地球上開始得晚。
微重力突變
23天后，研究小組分析了噬菌體的基因組成，發現其基因組沒有突變，但存在微重力特異性突變，特別是與宿主結構和相互作用相關的基因。這些突變改變了噬菌體感染細菌的方式。
“對我來說，最令人驚訝的發現之一不僅是噬菌體基因組中出現了突變，而且微重力將進化推入了噬菌體的角落，而我們仍然不完全了解，”胡斯說。
根據他們的發現，微重力不僅僅可以改變模式 快的 感染的發生還取決於病毒的哪些基因 最重要 當談到成功感染細菌宿主時。
“我們才剛剛開始觸及表面，”該研究的另一位主要作者、威斯康星大學麥迪遜分校的 Srivatsan Raman 博士說。 “我們只需要在更複雜的條件下做更多的實驗。”
噬菌體並不是唯一發生變化的，細菌似乎也在進化。的 大腸桿菌 暴露於噬菌體的細菌比沒有受到噬菌體威脅的細菌積累了更多的突變，這與驅動進化軍備競賽的選擇壓力一致。
一些最顯著的變化影響了與外膜相關的基因，可能會改變噬菌體的結合以幫助細菌抵禦壓力。
胡斯指出：“微重力不僅會減慢速度，還會從質上重塑噬菌體與宿主的共同進化，從感染的動態到重要的特定基因和突變。”
微重力作為地球醫學的前進方向？
使用一種稱為 深度突變掃描研究小組掃描了噬菌體基因組中的 1,600 多個突變變體，發現微重力中的“獲勝”突變與地球上的突變有顯著差異。
“我們的結果支持微重力作為 清楚的 選擇環境揭示了健身景觀的不同部分，而不是我們在地面上捕捉到的，”胡斯說。
研究人員利用這些突變來創建改變的噬菌體並進行測試 泌尿道致病性 大腸桿菌 – 菌株 大腸桿菌 與尿路感染相關——對 T7 噬菌體攻擊具有更強的抵抗力。結果表明，這些改變的病毒可以殺死耐藥細菌。
“我們在研究中發現，在微重力下富集的噬菌體突變體可以治療尿路病細菌並殺死它們。因此，這告訴我們，微重力狀態對於治療地球上的病原體非常重要，”拉曼說。
這對未來可能的治療有重大影響 細菌性疾病 在地球上，從沙門氏菌中毒到肺炎再到敗血症。但實現這一目標所需的進一步測試可能很棘手。
“在國際空間站上進行這些實驗並非易事，”拉曼補充道。 “我的意思是，這需要多年的規劃，而且還需要經歷很多後勤方面的挑戰。要進行這些實驗，以常規方式進行實際上執行起來有點困難。”
航天的未來如何？
從微觀到宏觀，這些結果表明太空微生物不會保持靜止，而是以微重力特定的方式適應和進化。
“我們的數據清楚地表明，微生物可以以意想不到的方式快速適應微重力，”胡斯補充道。 “原則上，同樣的壓力可以豐富我們在地球上關心的特徵，包括耐藥性或毒力改變。這是一種可能的進化軌跡，未來的實驗應該通過監測抗生素敏感性、應激反應和隨著時間的推移的競爭性相互作用來積極測試。”
這些適應真的會對執行長期太空任務的人類構成威脅嗎？也許吧，但對於拉曼來說，需要更多的測試才能得出這個結論。
“病原體一直在進化，”拉曼說。 “我認為我們需要做更多的研究，看看細菌是否能夠進化出突變，使它們在微重力條件下更具致病性。這些不是我們在這項研究中所做的實驗。
“但是細菌非常有彈性，而且它們一直在進化。所以我不會排除這種可能性，但同樣，必須進行這些嚴格的實驗來問：在國際空間站的條件下，細菌能成為病原體嗎？”
未來太空研究的一個領域可能是研究人類微生物組，因為目前尚不清楚微生物組在太空條件下如何進化。
對於地球上的人類來說，這項研究的結果更為積極，因為微重力可以幫助科學家開發出能夠殺死最具抵抗力的細菌的噬菌體。
“這些源自太空的健身景觀的真正力量在於它們並不是孤立的。它們可以與我們已經擁有的豐富的地面數據集結合起來，以強化治療用例的工程策略。這顯然是最快的行動方案，”胡斯說。
