Разбираем мир микробиологии по кусочкам
Здоровье в космосе и какую роль в этом играют бактерии
Для подготовки одной космической миссии требуются сотни людей и тысячи часов работы. Страницы математических расчетов, тщательная калибровка оборудования и, конечно же, расчет потенциальных рисков. Успех космической миссии также зависит от космонавтов, которые выступают в роли высококвалифицированных специалистов, инженеров, врачей и даже спортсменов. Здоровье космонавта стоит на первом месте, и для поддержания его или ее благополучия прилагается много усилий. И здесь решающую роль играют микроорганизмы…
Микробы распространены не только на Земле. Их также можно обнаружить в строго организованной и усердно продезинфицированной среде космического корабля. Почему? Потому что присутствие нормального микробиома экипажа «загрязняет» территорию. При любых неблагоприятных условиях и в отсутствии гравитации микробный состав может резко измениться, что может привести к развитию инфекций. Одним из таких коварных микроорганизмов является Streptococcus mutans. Эта бактерия является возбудителем зубного кариеса, и было продемонстрировано, что длительные космические полеты и повышенное воздействие микрогравитации и радиации связаны с увеличением частоты заболеваний полости рта у космонавтов. Более того, прогнозируется, что появление неотложных стоматологических проблем у космонавтов станет одной из главной опасностью, влияющая на будущие космические миссии.
Фернандер со своей командой (2022 г.) провели интересное исследование, в котором проанализировали адаптивную реакцию S. mutans на условия микрогравитации. Хотя этот организм хорошо изучен на Земле, ученые задаются вопросом, как эта бактерия отреагирует на космическую среду. Может ли S. mutans представлять опасность для здоровья человека в космосе?
Но что такое «микрогравитация» и как ее можно смоделировать на Земле? Как объясняют ученые НАСА, «состояние микрогравитации возникает всякий раз, когда объект находится в свободном падении» (вспомните аттракционы в парке развлечений, которые движутся вертикально). В исследовании авторы создали нечто похожее на состояние свободного падения. Они протестировали две популяции S. mutans: одна росла в условиях нормальной гравитации (контрольная группа), а другая — в условиях микрогравитации.
Формирование кариеса зависит от двух факторов: 1) экологического, который способствует росту кислотообразующих бактерий, и 2) наличия сахарозы, которой будут питаться бактерии. Поскольку сахар имеет тенденцию создавать более кислую среду, группа исследователей также сосредоточилась на анализе изменений, которые произошли в уровнях кислотоустойчивости, уровнях сцепления бактерий с эмалью и чувствительности к антибиотикам в условиях микрогравитации.
Переносимость кислотной среды
Для развития кариеса бактерия S. mutans должна прикрепиться к поверхности зуба и сформировать биопленку, известная как зубной налет (Изображение 2). Если кислотность налета постоянно поддерживается при pH ниже 5,4 (что является кислой средой), это способствует деминерализации зубной эмали.
Исследователи оценили изменения в уровне переносимости кислотной среды, подвергая бактериальные популяции воздействию кислоты в течение 0, 20, 30 и 45 минут. Затем, они подсчитали итоговое количество колоний, чтобы оценить выживаемость и способность переносить низкие значения pH (Изображение 3).
Они обнаружили, что адаптация к условиям нормальной гравитации показала явное снижение кислотоустойчивости, в то время как в условиях микрогравитации результаты варьировались. Стоит отметить, что исследователи выращивали бактерии как планктонную культуру, что означает, что бактерии были свободноживущими (по сравнению с биопленками, которые имеют более высокую устойчивость к любым изменениям окружающей среде). Зубной налет является примером биопленки, и, таким образом, результаты того же эксперимента могли бы отличаться, если бы S. mutans выращивали в виде биопленки.
Сцепление с зубом
Теперь стоит обсудить сцепление. Такое происходит в присутствии сахарозы через сахарозо-зависимый (СЗ) и сахарозо-независимый (СНЗ) механизмы. В то время как первый необходим для первоначального прикрепления, второй отвечает за вирулентность и патогенность. Исследователи выращивали бактериальные колонии в условиях нормальной гравитации (на изображении 4, NG) и микрогравитации (на изображении 4, MG) в течение 100 дней, а затем проанализировали результаты. Как видно на изображении ниже, сахарозо-зависимые и сахарозо-независимые механизмы ведут себя по-разному. Группа СЗ почти не пострадала от условий микрогравитации. Группа СНЗ, напротив, показала некоторые фенотипические вариации, где некоторые бактериальные колонии (как в условиях нормальной гравитации, так и в условиях микрогравитации) даже не смогли успешно прикрепиться к поверхности зуба. Однако, это не означает, что данные результаты будут универсальными для подобных экспериментов, проводимых в будущем. Авторы статьи заявляют, что предположения о «влиянии среды отбора (то есть космической среды) на этот фенотип [сцепление S. mutans с поверхностями]» может быть проблематичным и не иметь под собой твердой научной основы.
Восприимчивость к антибиотикам
S. mutans хорошо изучены на Земле, и вызванные этой бактерией инфекции успешно лечатся с помощью антибиотиков. Однако, поскольку космос – это внеземная среда, исследовательская группа задалась вопросом: как эти бактерии будут реагировать на лечение антибиотиками в космосе? Они протестировали шесть различных антибиотиков: амоксициллин, пенициллин, клиндамицин, эритромицин, метициллин и ванкомицин. Оказалось, что условия микрогравитации не вызвали существенного изменения к восприимчивости! Ученые зафиксировали лишь небольшое повышение чувствительности к эритромицину и повышение резистентности к клиндамицину.
И напоследок
Основываясь на полученных результатах, исследовательская группа пришла к выводу, что среда микрогравитации проявляет большую силу отбора, чем условия нормальной гравитации. Это означает, что в отсутствии гравитации условия окружающей среды изменить труднее, что будет значительно замедлять скорость мутации, и, наоборот, если окружающая среда восприимчива к изменениям, произойдет большее количество мутаций.
Следующим шагом является изучение генов (и полученных в результате белков), которые позволяют S. mutans адаптироваться к таким необычным условиям. Повышенная приспособленность этих бактерий в космосе может представлять риски для здоровья астронавтов, например, развитие нежелательных стоматологических проблем. А пока ждем решения, будем надеяться, что астронавты не балуются сладким на борту своего космического корабля!
Перевод был сделан Марией Мартыновой
Оригинальная статья: Fernander, M.C., Parsons, P.K., Khaled, B. et al. Adaptation to simulated microgravity in Streptococcus mutans. npj Microgravity 8, 17 (2022).
Изображение: https://www.asc-csa.gc.ca/eng/search/video/watch.asp?v=1_40lih8na
micro-bites.org 