Разбираем мир микробиологии по кусочкам
Микрогравитация и бактериальный метаболизм
Мы знаем, что одна из самых удивительных особенностей микробов заключается в том, что они повсюду. Неудивительно, что их обнаруживают даже в космических аппаратах, несмотря на все предпринятые меры предосторожности. Безусловно, такой феномен завораживает, и именно эта уникальная черта микроорганизмов позволяет ученым изучать секрет их выживания в космосе.
Такие космические факторы как космическое и солнечное УФ-излучение, вакуум и микрогравитация влияют на выживание микробов. Эта статья объяснит влияние микрогравитации на бактериальный метаболизм или, по простому, их внутренний механизм.
Что такое “микрогравитация”?
Часто называемая средой микрогравитации (микро-g или мкг), она наблюдается на Международной космической станции (МКС). НАСА определяет микрогравитацию как состояние, при котором люди или объекты кажутся невесомыми.
Космические аппараты обладают супер способностью перемещаться в условиях низкой гравитации, которая может причинить вред любой форме жизни. Поскольку бактерии очень малы в своих размерах, можно было бы предположить, что они не испытывают гравитации, но на самом деле это не так; как и все организмы, бактерии также сталкиваются с неблагоприятными последствиями изменения гравитации при перемещении в космос. Это часто происходит в форме клеточного стресса, который в проявляется через изменения метаболизма, гиперэкспрессией генов, связанных с голоданием, усилением трансмембранного притока, формированием биопленки и даже изменением вирулентности, как это наблюдалось в течение последних 60 лет.
Все жители Земли подвержены влиянию гравитации. Это влияние настолько сильно, что невозможно отменить даже 1 G гравитационной силы на планете! Вот почему для имитации условий микрогравитации создается ситуация «свободного падения».
Какое влияние микрогравитация оказывает на бактерии?
Как можно имитировать микрогравитацию на Земле? Гаятри Шарма и ее команда (2022 г.) предлагают проводить экспериментальные работы по микрогравитации двумя способами: сначала на реальном космическом корабле, таком как МКС, а потом на Земле в условиях имитации микрогравитации. Но стоит заметить, что наземные станции по микрогравитации не подвергаются повышенному воздействию радиации, в отличие от реальных космических полетов, и поэтому оба экспериментальных проекта не всегда будут давать одинаковые результаты.
Микробы реагируют на изменения гравитационных сил посредством систем механотрансдукции — преобразования механических сигналов в клеточные реакции (экспрессия генов, суперспирализация ДНК и т. д.). При активации режима выживания каждый вид микробов проявляет свои специфические реакции, запускаемые кластерами крайне загадочных генов. Затем, непредсказуемым образом, образуются новые молекулы, называемые вторичными метаболитами, которые помогают поддерживать гомеостаз в клетках. Влияние микрогравитации на вторичный метаболизм зависит от штамма бактерии, условий роста, или анализируемого периода времени.
На данный момент бактерии, изучаемые для космических исследований, уже идентифицированы и исследованы как продуценты метаболитов, и большинство вторичных метаболитов были раскрыты в виде поликетидов и нерибосомных пептидов.
Образование биопленки, на которую влияет метаболизм аминокислот, является хорошо известной реакцией на пребывание в космосе условно-патогенных бактерий золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus), кишечной палочки (Escherichia coli) и синегнойной палочки (Pseudomonas aeruginosa). Аминокислота аргинин, в частности, выполняет двойную функцию: регулирует образование биопленки и предотвращает окислительный стресс.
Например, бактерия Klebsiella pneumoniae, выращенная на космическом корабле Shenzhou 10, демонстрирует повышенную способность к сцеплению, повышенное образование биопленки и повышенную выживаемость в условиях микрогравитационного стресса. Гены метаболизма, связанные с аминокислотами и другими биохимическими процессами, демонстрируют усиленную экспрессию независимо от доступных источников углерода.
Под влиянием микрогравитации и, следовательно, стресса на клетки, бактерии также продуцируют большее количество антибиотиков (вторичных метаболитов). Это наблюдается у Bacillus brevis (антибиотик Грамицидин S), Streptomyces hygroscopicus (рапамицин), Streptomyces ansochromogenus (никкомицины).
Кроме того, в условиях микрогравитации бактериальные клетки накапливают токсины, во время которых диффузия и броуновское движение (беспорядочное движение молекул) ограничивают молекулярное движение из-за отсутствия сил гравитации. Это приводит к скудной доступности питательных веществ и накоплению токсичных клеточных побочных продуктов.
Исследование бактерии Microcystis aeruginosa — это скорее рассказ об осторожности. В условиях микрогравитации токсичная цианобактерия растет аномально быстро (2 дня вместо обычных 6 дней), активно выделяя токсин микроцистин. Ученые объясняют причину резкого выброса токсина повышенной концентрацией фотосинтетического пигмента и более активное поглощение азота в условиях микрогравитации. Они пришли к выводу, что искусственная микрогравитация действительно сделала M.aeruginosa гораздо более опасной.
Гаятри Шарма указывает, что изменения, происходящие в первичном метаболизме, довольно очевидны и, в свою очередь, непреднамеренно влияют на вторичный метаболизм. Тем не менее, существует множество пробелов в связи между первичным и вторичным метаболизмом, особенно в условиях космических полетов, на которых исследователи могут сосредоточиться.
Важность данного исследования:
Имея представление о метаболизме бактерий в условиях космоса, можно будет с легкостью определить эффекты вторичных метаболитов (например, токсинов), что даст дополнительные сведения о том, как предотвратить возможные проблемы на космической станции.
Данные по транскриптомике и по метаболомики могут помочь выявить новые микробные продукты и интересные кластеры генов, которые, без сомнения, будут способствовать развитию биопроцесинга и новых микробных методологий.
В современных технологиях биопроцесинга, изменения в температуре, доступности кислорода и диффузии, вызванные микрогравитацией, могут быть использованы для создания искусственных микробов. Спроектированные микробы, адаптированные к условиям космоса, могут быть использованы для выращивания растений на борту космических кораблей! На фото ниже (Изображение 4) показаны аналогичные эксперименты (которые уже в работе!) по выращиванию растений (редиса) во время космического полета (Экспедиция 64) в 2020 году.
Космические аппараты, несущие на себе разнообразную микробиоту, все еще недостаточно изучены; результаты этого и дальнейших исследований, несомненно, сделают будущие полеты более безопасными!
Перевод был сделан Марией Мартыновой
Оригинальная статья: Sharma G, Curtis PD. The Impacts of Microgravity on Bacterial Metabolism. Life. 2022; 12(6):774.
Изображение: https://www.quranmualim.com/explain-what-is-microgravity-quranmualim/
micro-bites.org 