Dödliga bakterier från yttre rymden

Rymdfärder är kända för att ha djupgående effekter på människans fysiologi, försvagar astronauternas ben och muskler och försämrar deras immunförsvar. En ny studie visar att dess effekter på mikroorganismer kan vara lika dramatiska: Salmonella odlad ombord på rymdfärjan var många gånger dödligare än dess terrestra motsvarigheter. Studien tyder på att NASA och andra rymdorganisationer kan behöva oroa sig för att långa bemannade uppdrag kommer att öka virulensen hos mikroorganismer som astronauter oundvikligen bär med sig. Det har också gett mikrobiologer insikter i Salmonella som kan leda till nya behandlingar för infektioner på jorden.

Det kom från yttre rymden: Salmonella typhimurium (överst) odlade ombord på rymdfärjan visade globala förändringar i genuttryck och proteinproduktion och var mycket dödligare än identiska stammar som odlades på jorden.
Astronaut Heide Stefanyshyn-Piper (nederst), höll en av tolv behållare med Salmonella ombord på rymdfärjan Atlantis 2006. Genom att vrida på veven i sin högra hand sänkte Stefanyshyn-Piper fack fulla av inaktiva bakterier in i fack fulla av tillväxtmedium.

Forskare under ledning av Cheryl Nickerson , associerad professor vid Arizona State University Biodesign Institute, fann det Salmonella odlade under rymdfärjeuppdraget STS-115 2006 genomgick stora förändringar i uttrycket av 167 gener. När de administrerades till möss på jorden visade sig bakterierna många gånger dödligare än en motsvarande stam som odlades på marken.

Experimentet var det första som studerade förändringar i genuttrycket för en mikroorganism i rymden. Arizona-forskarna gav bevis för att en viss Salmonella genen reglerar de flesta av de molekylära förändringar som bakterierna genomgick. Denna globala regulator, som verkar hjälpa bakterierna att svara på stress genom att bli mer virulenta, är ett potentiellt terapeutiskt mål för framtiden Salmonella behandlingar.

Konsekvenserna för mänsklig rymdfärd är inte lika tydliga. Det verkar inte som något NASA borde oroa sig för, åtminstone inte på kort sikt, säger David Robertson , direktör för Centrum för rymdfysiologi och medicin vid Vanderbilt University. Men det är omöjligt att fullständigt sterilisera rymdfarkoster, till stor del för att människor bär med sig så många bakterier: bakterieceller i våra kroppar är betydligt fler än våra egna. Ju längre resor, desto mer måste vi oroa oss, säger Robertson. Ett bemannat uppdrag till Mars, som har föreslagits av president Bush, skulle ta ungefär tre år.

De Salmonella bars ombord på rymdfärjan Atlantis i en sorts upphängd animation, förseglad inuti fackförsedda provrör. En av astronauterna aktiverade bakteriekulturerna genom att trycka in en kolv i en kammare som blandade Salmonella med ett tillväxtmedium. Efter 24 timmar trycktes kolven in i en annan kammare. Hälften av bakterierna blandades sedan med mer tillväxtmedium för att hålla dem vid liv tills de återvände till jorden; den andra hälften blandades med ett kemiskt fixativ som stoppade deras tillväxt och bevarade dem så att deras genuttryck kunde studeras efter att skytteln landat.

Forskare på marken utförde samma experiment på samma stam av Salmonella , odlade i en miljö som efterliknade temperaturen, luftfuktigheten och andra förhållanden ombord på rymdfärjan men som hade jordens gravitation. Jämfört med dessa bakterier uppvisade de som odlades i rymden stora förändringar i aktiviteten hos 167 gener och i produktionen av 73 proteiner. Lägre koncentrationer av rymdbakterierna orsakade dödliga infektioner hos möss, och rymdbakterierna dödade fler möss snabbare än de som odlades på jorden.

Nickerson säger att dessa förändringar kan bero på mekaniska påfrestningar som mikrogravitationen utsätter för bakteriecellerna. I mikrogravitation är celler i ett provrör eller i våra kroppar i ett tillstånd av flytkraft, flytande upphängda, säger hon. Detta förändrar flödet av vätskor över cellernas ytor, och därav cellernas beteende.

Det verkar kontraintuitivt att forskare kan lära sig om hur bakterier beter sig i våra kroppar på jorden genom att placera dem i en miljö lika konstgjord som ett provrör på ett rymdskepp, säger Jeanne Becker , biträdande direktör för National Space Biomedical Research Institute , i Houston. Om man tittar på det ur bakteriernas perspektiv, säger hon, vill de kunna överleva i en stressig miljö - oavsett om det är mikrogravitation, ett angrepp av immunsystemet eller närvaron av ett antibiotikum. Sättet som bakterier svarar på en stressig miljö – genom att till exempel göra mer eller mindre av ett visst protein – kan peka forskare på biokemiska vägar som nya terapier kan rikta in sig på.

Rymdfärder förändrar också den genetiska aktiviteten hos mänskliga celler. Vi utvecklades i en engravitationsmiljö, säger Becker. Det finns grundläggande förändringar när du tar bort gravitationen. En studie visade att rymdfärder orsakade förändringar i uttrycket av mer än 1 600 gener i mänskliga njurceller odlade i kultur. Becker säger att många fler studier av de molekylära effekterna av rymdförhållanden på celler kommer, eftersom forskare drar fördel av den internationella rymdstationen.

Nickersons grupp kommer snart att publicera tidningar om effekterna av rymdfärd på en stam av jäst och på Pseudomonas aeruginosa , bakterien som orsakade den enda allvarliga infektionen av en astronaut hittills, 1970. För att göra ett framgångsrikt återinträde i atmosfären efter en explosion ombord, Apollo 13 astronauter drog sig tillbaka från huvuddelen av sitt farkost till sin månmodul, där de stod inför en brist på syre, kraft och vatten. Under dessa extrema förhållanden utvecklade astronauten Fred Haise en aggressiv prostatainfektion orsakad av Pseudomonas och var allvarligt sjuk i några veckor efter hemkomsten.

De flesta infektioner av astronauter i rymden har varit milda – Haises fall är undantaget – och ingen orsakades av Salmonella . Nickerson säger att hon valde att studera Salmonella eftersom tidigare experiment som simulerade mikrogravitation och andra rymdförhållanden antydde att bakteriens virulens kan öka i rymden. Medan Salmonella har aldrig varit isolerad från rymdfarkoster, det är en viktig anledning till att mat som är avsedd för den internationella rymdstationen diskvalificeras, säger hon.

Det faktum att minst en otäck bugg blir bevisligen mer virulent i rymdfärder introducerar en fara som kanske tidigare har varit underskattad, säger Kim Prisk , professor i medicin vid NASA Lab vid University of California, San Diego. Det får en att undra över hur aggressiv den medicinska behandlingen av ett infekterat försöksperson i rymden skulle behöva vara.

Viktigare, säger Prisk och Becker, är Arizona-forskarnas identifiering av den globala regulator av virulens som kan leda till behandlingar för Salmonella infektioner. Det är ett bra exempel på hur rymdfärdsorienterad forskning kan leda till potentiellt viktiga och fördelaktiga resultat här på marken, säger Prisk.

Dölj