Космический грибок Aspergillus niger

                              

Разбираем мир микробиологии по кусочкам


Космический грибок Aspergillus niger

Не у всех есть возможность полететь в космос. Такую ​​возможность получают лишь немногие астронавты, роботы, и те организмы, которые имеют отношение к исследованиям космоса. Но, иногда в космос пробираются незваные гости, а именно – микробы. Согласно принципам планетарной защиты, каждый объект, покидающий поверхность Земли, должен пройти тщательную санитарную обработку или очистку. Каждый элемент вездехода, посадочного модуля, или скафандра необходимо очистить от любого рода загрязнений, будь те биологические загрязнения или просто грязь.

Однако, некоторые бактериальные споры выживают даже при такой химической обработке. Бактериальные споры – это высокозащищенный тип клеток, устойчивый к суровым условиям радиации, вакуума, и высокой температуры. Bacillus subtilis является примером спорообразующей бактерии. Для уничтожения бактериальных спор используются такие методы, как обработка поверхностей ультрафиолетовым излучением или перекисью.

В отличие от бактериальных спор, исследования по устойчивости к радиации грибковых спор оставались на заднем плане. Несмотря на это, совсем недавно ученые стали говорить о том, что грибок Aspergillus niger (широко известный, как черная плесень) является основным загрязнителем на Международной космической станции. A. niger переносится по воздуху, и быстро колонизирует новые среды обитания. Этот грибок часто портит продукты питания, и лучше всего развивается в теплых и влажных местах.

Этот грибок вызывает послеуборочную гниль фруктов и овощей, таких как виноград, клубника, и лук (Nair, 1985). A. niger даже может вызвать проблемы с дыханием у людей, если он поражает дыхательные пути. Но оказывается, что A. niger может принести пользу. Например, A. niger играет важную роль в производстве клеток, главным образом из-за его способности производить большое количество биологических продуктов, таких как белки и ферменты. По этим причинам, крайне важно изучить поведение A. niger в космических условиях, чтобы избежать нежелательного роста грибка внутри космических кораблей, и вместо этого использовать его преимущества в сфере биотехнологии.

В Германии, Доктор Марта Кортесан со своей исследовательской группой попыталась разобраться в физиологической устойчивости спор A. niger против радиации. В этом эксперименте, они проанализировали устойчивость грибка и трех мутантов, которые образовались после воздействия тем уровнем радиации, который обычно встречается в космосе. Грибки были подвержены УФ-излучению, рентгеновским лучам, и космическому излучению. Рентгеновские и УФ-С лучи обычно испускаются поверхностью Солнца. Космическое излучение возникает в результате взрывов сверхновых или пульсарами (Чанселлор и др., 2018), и, как правило, состоит из ионов гелия и железа.

Как радиация влияет на живые клетки? Ученые говорят, что радиация может вызывать прямые и косвенные повреждения. Прямое повреждение затрагивает белки, липиды, и ДНК – строительные блоки клеток. Косвенный ущерб возникает из-за производства большого количества активных форм кислорода (АФК). АФК производятся в результате радиолиза, процесса, при котором радиация взаимодействует с кислородом в воде, что приводит к образованию высокореактивных молекул, таких как пероксид, супероксид, синглетный кислород и т. д. Контролируемые уровни АФК необходимы для правильного функционирования любой клетки, но при их избыточном производстве, окислительный стресс может повредить клеточные органеллы и привести к апоптозу или гибели клеток.

Изображение 1: Эффект радиации на грибок Aspergillus niger. Прямое и косвенное повреждение (окислительный стресс) — это два типа повреждений, которые вызывает радиация. Источник изображения: Biorender.com

На переносимость радиации любого организма влияет множество факторов. Ученые создали мутантов A. niger, чтобы понять роль трех факторов: пигментация, восстановление ДНК, и полярный рост (параметр, отвечающий за контроль размера грибковой колонии). У каждого мутанта был удален один ген, ответственный за передачу каждого фактора. Мутанты были названы ∆fwnA (пигментация), ∆kusA (восстановление ДНК), и ∆racA (полярный рост).

Изображение 2: Мутанты грибка Aspergillus niger. Источник изображения: Biorender.com

Рентгеновские лучи и космическое излучение являются видами ионизирующего излучения. Предыдущие исследования показали, что ионизирующее излучение и перекись водорода способствуют формированию АФК, а также и то, что пигментация участвует в сопротивлении этому окислительному процессу. После обработки рентгеновскими и космическими лучами, ученые обнаружили, что, вопреки тому что предполагалось ранее, пигментация не играла роли в устойчивости к космическому ионизирующему излучению, поскольку пигментный мутант ∆fwnA продемонстрировал такой же темп роста, как и неизмененные грибки. Затем, группа исследователей инкубировала мутант ∆fwnA в перекиси водорода. Они обнаружили, что пигментация необходима для защиты от окислительного стресса, который был вызван H2O2 . Кроме этого, данный мутант показал наименьший рост после обработки лучами УФ-С, что позволяет предположить, что пигментация имеет решающее значение для устойчивости против УФ-излучения.

Мутант со свойствами восстановления ДНК, ∆kusA, показал наименьший рост при облучении рентгеновскими лучами, что позволяет предположить, что рентгеновские лучи вызвали прямые повреждения ДНК. Таким образом, свойство ДНК к восстановлению имеет решающее значение для защиты от ионизирующего излучения. Наконец, образование грибковой биопленки на поверхности является важной особенностью колонизации A. niger. Исследователи проанализировали способность грибка и его мутанта образовывать биопленки после лучевой обработки. Их основной результат показал, что темп образования биопленки у мутанта ∆racA был значительно снижен по сравнению с обычным грибком после обработки лучами УФ-С, что позволяет предположить, что контролирующий рост ген необходим для защиты от УФ-С-излучения. В совокупности, их результаты показывают, что пигментация защищает A. niger от УФ-излучения, механизм восстановления ДНК помогает грибкам от ионизирующего излучения, а ген, контролирующий рост по поверхности, может быть использован для предотвращения колонизации.

Данное исследование показывает, что A. niger исключительно устойчив к радиации. Он может выдерживать более высокие уровни УФ-излучения, чем Deinococcus radiodurans, хорошо известный радиорезистентный микроб. Более чем 1000 Гр УФ-С излучения потребуется для остановки темпов колонизации A. niger, что выше, чем ожидаемое облучение, которое можно получить за 360-дней полета на Марс туда и обратно (0,66 ± 0,12 Гр) (Cortesão et al., 2020).

В заключение можно сказать, что космическое излучение само по себе не может уничтожить споры грибка A. niger. Следовательно, ученые должны сфокусировать свои силы на изучении микробов, которые могут вызвать биологическое заражение других космических тел без нашего ведома. Тем не менее, высокая радиационная устойчивость A. niger может быть полезна для космической биотехнологии будущего, позволяя астронавтам производить такие вещества, как антибиотики, витамины, и ферменты, на борту космического корабля.


Перевод был сделан Марией Мартыновой

Оригинальная статья: 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

Дополнительные ресурсы:

  1. https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Hydrogen-peroxide
  2. https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/5359597
  3. Committee on Space Research (COSPAR) » Panel on Planetary Protection (PPP) (cnes.fr)
  4. 18.14 Fungi as cell factories (davidmoore.org.uk)
  5. https://spaceplace.nasa.gov/supernova/en/
  6. https://www.atnf.csiro.au/outreach/education/everyone/pulsars/index.html
  7. Research – What is Singlet Oxygen? | Cal State LA

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