Microbiologie in hapklare porties

Aspergillus niger; een schimmelige ruimtereiziger

Written by

Anisha Shastri

Niet iedereen kan zomaar een reisje in de ruimte maken. Alleen een paar astronauten, robots en organismen belangrijk voor onderzoek krijgen deze kans. Maar er kunnen een paar stiekeme, ongenodigde gasten meekomen – microben. Volgens de Planetary Protection guidelines moet elk object grondig schoongemaakt of gereinigd worden voordat het de Aarde verlaat. Elk stukje van een nieuwe rover, lander of ruimtepak moet schoongemaakt worden van elke verontreiniging.

Sommige bacteriesporen overleven deze chemische behandeling. Bacteriesporen zijn een zeer beschermd celtype, resistent tegen de zware omstandigheden van straling, vacuüm en hoge temperaturen. Bacillus subtilis is een voorbeeld van sporenvormende bacteriën. Alleen door oppervlaktes te behandelen met UV-licht of peroxide kunnen deze bacteriesporen vernietigd worden.

In tegenstelling tot de bacteriesporen, die al jaren bestudeerd worden omdat ze resistent zijn tegen straling, trokken de schimmelsporen zeer weinig aandacht. Desondanks staan er in recente rapporten dat een schimmel genaamd Aspergillus niger (ook bekend als zwarte schimmel) een grote verontreiniging is op het Internationale Ruimtestation. De A. niger verspreidt zich via de lucht en koloniseert snel nieuwe omgevingen. Deze schimmel staat normaal bekend als een voedselverontreiniger, en groeit het best in warme en vochtige omstandigheden.

A. niger zorgt bijvoorbeeld na de oogst voor het bederven van groenten en fruit zoals druiven, aardbeien en uien (Nair, 1985). Daarnaast kan het bij mensen ook zorgen voor ademhalingsproblemen als het de luchtweg infecteert. Gelukkig brengt A. niger ook mogelijke voordelen met zich mee. Deze schimmel is een zeer belangrijke celfabriek voor biotechnologische toepassingen, vooral door zijn hoge productiecapaciteit van biologische producten zoals eiwitten en enzymen. Daarom is het essentieel om het gedrag van A. niger te bestuderen onder ruimte-omstandigheden, zodat we ongewilde kolonisatie van de schimmel in ruimtevaartuigen kunnen voorkomen en tegelijkertijd zijn biotechnologische voordelen kunnen uitbuiten.

Dr. Marta Cortesão van de Space Biology Research group uit Duitsland onderzocht de stralingstolerantie van A. niger samen met andere wetenschappers. Ze analyseerden de stralingsresistentie van een wildtype A. niger schimmel en drie mutanten. Deze werden allemaal aan het stralingsniveau blootgesteld die je ook in de ruimte tegen zou komen. Ze bestraalden de schimmel met UV-C straling, röntgenstraling en kosmische straling. (UV-C- en röntgenstraling worden allebei uitgezonden door de zon. Kosmische straling ontstaat door supernova explosies of pulsars (Chancellor et al., 2018) en bestaat uit helium- en ijzerionen.)

Maar wat doet straling met levende cellen? Volgens wetenschappers richt straling twee typen schade aan – directe en indirecte. Directe schade tast de proteïnen, lipiden en DNA aan, de bouwstenen van cellen. Indirecte schade wordt veroorzaakt door het ontstaan van grote hoeveelheden Reactive oxygen spieces (ROS). ROS ontstaan door radiolyse, een proces waarin straling interacteert met zuurstof in water om zeer reactieve moleculen maken, zoals peroxide, superoxide, singlet zuurstof, et cetera. Minimale hoeveelheden van ROS zijn nodig in een cel om deze normaal te laten functioneren. Maar bij teveel ROS-productie beschadigt oxidatieve stress de celorganellen en kan het leiden tot apoptose of celdood.

Figuur 1: Wat doet straling met de Aspergillus niger? Directe en indirecte schade (oxidatieve stress) zijn de twee typen schade veroorzaakt door straling. De kleuren zijn er alleen voor representatieve doeleinden. De afbeelding is gecreëerd door de auteur met BioRender.

Meerdere factoren dragen bij aan de stralingstolerantie van elk organisme. De wetenschappers creëerden drie mutanten van de A. niger om de rollen van drie factoren te begrijpen; pigmentatie, DNA-herstel en polaire groei (beheersing van de grootte van de schimmelkolonie). Bij elke mutant verwijderden ze één gen dat verantwoordelijk is voor elke factor. De mutanten kregen de namen ΔfnwA (pigmentatie), ΔkusA (DNA-herstel) en ΔracA (polaire groei).

*Figuur 2: Aspergillus niger mutanten. De kleuren zijn er alleen voor representatieve doeleinden. De afbeelding is gecreëerd door de auteur met BioRender.*

Röntgen- en kosmische straling zijn beide ioniserende straling. Voorgaande studies toonden aan dat ioniserende straling en waterstofperoxide ROS creëren, en dat pigmentatie betrokken is bij de resistentie voor oxidatieve stress. Na een behandeling van röntgen- en kosmische straling ontdekten de wetenschappers dat, in tegenstelling tot wat er hiervoor gezegd was, pigmentatie geen rol speelde in de resistentie tegen ruimte ioniserende straling. Dit zagen ze aan de ΔfnwA mutant die dezelfde groei als de wildtype A. niger toonde. Dr. Cortesão en haar groep groeiden daarna de ΔfnwA mutant in waterstofperoxide. In dit geval ontdekten ze dat pigmentatie wel nodig is voor bescherming tegen H₂O₂-veroorzaakte oxidatieve stress. Daarnaast merkten ze ook dat deze mutant minder snel/goed groeide na de UV-C behandeling, wat suggereert dat pigmentatie cruciaal is voor resistentie tegen UV-C straling.

De DNA-herstel mutant (ΔkusA) groeide minder snel/goed in röntgenstraling. Dit suggereert dat röntgenstraling directe schade aanricht door breuken in het DNA te maken. Dus het herstel van DNA is belangrijk voor de bescherming tegen ioniserende straling. Als laatste is oppervlak-geassocieerde groei of biofilmvorming een belangrijk kenmerk van de A. niger kolonisatie. De wetenschappers analyseerden het vermogen van de wildtype en mutant A. niger om biofilms te vormen na een stralingsbehandeling. De vorming van biofilms van ΔracA was sterk verminderd vergeleken met het wildtype na een UV-C behandeling. Dit suggereert dat het gen voor polaire groei essentieel is voor bescherming tegen UV-C straling. Samengevat tonen de resultaten aan dat pigmentatie van A. niger beschermt tegen UV-C straling, het DNA-herstel gen beschermt tegen ioniserende straling, en dat het gen dat de polaire groei controleert, gericht kan worden gebruikt om kolonisatie te voorkomen.

Dit onderzoek laat ons zien hoe buitengewoon resistent A. niger is tegen straling. Het kan beter UV-C straling levels weerstaan dan Deinococcus radiodurans, een bekende sralingsresistente microbe. Meer dan 1000 Gy van UV-C straling is nodig om het probleem van A. niger kolonisatie in toom te houden, wat meer is dan de verwachte blootstelling aan straling tijdens een 360 dagen lange reis naar Mars (0.66 ± 0,12 Gy) (Cortesão et al., 2020).

Alleen ruimtestraling kan de A. niger sporen niet elimineren. De wetenschappers van Planetary Protection moeten daarom microben aankaarten die, zonder dat wij het weten, een biologische verontreiniging van planetaire lichamen kunnen veroorzaken. Toch zal de hoge stralingsresistentie van A. niger in de toekomst heel belangrijk worden in de ruimte biotechnologie. Bijvoorbeeld om astronauten te helpen om essentiële substanties zoals antibiotica, vitamines en enzymen in een ruimtevaartuig te laten produceren.

Link to the original post: Cortesão Marta, de Haas Aram, Unterbusch Rebecca, Fujimori Akira, Schütze Tabea, Meyer Vera, Moeller Ralf, 2020. Aspergillus niger Spores Are Highly Resistant to Space Radiation. Frontiers in Microbiology, Volume 11, https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.00560

Additional sources:

Featured image: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:%D0%9A%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D0%B4%D0%B8%D0%B8_aspergillus_niger_2.tif

Vertaald door: Liang Hobma