Microbiologie in hapklare porties
Gezondheid in de ruimte en waarom bacteriën daar een rol in spelen
Het kost honderden mensen en duizenden uren werk om één enkele ruimtemissie voor te bereiden. Bladzijden vol met wiskundige berekeningen, zorgvuldige kalibratie van apparatuur, en natuurlijk, voorspellingen van potentiële bedreigingen voor de missie doelstellingen. Het succes van een ruimtemissie hangt ook af van de astronauten, die dienen als datawetenschappers, ingenieurs, dokters en zelfs atleten. De gezondheid van de astronaut staat bovenaan de prioriteitenlijst en er wordt veel moeite gedaan om zijn of haar welzijn op peil te houden. Dit is waar micro-organismen een cruciale rol spelen…
Microben zijn niet alleen overal aanwezig op Aarde. Ze zijn ook te vinden op structuren die door mensen worden bewoond in een strikt gezuiverde en georganiseerde ruimtevaart omgeving. Waarom? Omdat het normale microbioom van de bemanning de ruimte “besmet”. Onder ongunstige omstandigheden en bij afwezigheid van zwaartekracht kan de microbiële samenstelling plotseling veranderen, wat kan leiden tot het ontstaan van infecties. Eén zo’n zorgwekkend organisme is Streptococcus mutans. Deze bacterie veroorzaakt tandcariës, en er is aangetoond dat langdurige ruimtemissies en verhoogde blootstelling aan microzwaartekracht en straling [gecorreleerd zijn met] een verhoogde incidentie van mondziekten bij astronauten. Bovendien wordt voorspeld dat tandheelkundige noodgevallen een van de belangrijkste aandoeningen zullen zijn bij toekomstige ruimtemissies.
Fernander en haar team (2022) hebben een interessante studie uitgevoerd, waarin zij de adaptieve reactie van S. mutans op de omstandigheden van gesimuleerde microzwaartekracht hebben geanalyseerd. Hoewel dit organisme op aarde goed bestudeerd is, vragen wetenschappers zich af hoe deze bacterie reageert op de ruimteomgeving. Kan S. mutans een risico vormen voor de menselijke gezondheid als hij eenmaal in de ruimte is?
Maar wat is “microzwaartekracht” en hoe kan die worden gesimuleerd? Zoals NASA het uitlegt: “De toestand van microzwaartekracht ontstaat wanneer een voorwerp in vrije val is” (denk aan de pretparkattracties die verticaal bewegen). In de studie creëerden de auteurs iets dat lijkt op een vrije val-toestand. Zij testten twee populaties van S. mutans: één die groeide onder normale zwaartekrachtsomstandigheden (controlegroep) en de andere onder de omstandigheden van gesimuleerde microzwaartekracht.
De vorming van tandcariës is afhankelijk van twee factoren: 1) een ecologische verschuiving die de groei van zuurproducerende bacteriën bevordert en 2) de aanwezigheid van sucrose waar bacteriën zich mee voeden. Omdat suikers de neiging hebben om een zuurdere omgeving te creëren, richtte de groep zich ook op de analyse van veranderingen die plaatsvonden in zuur tolerantieniveaus, hechtingsniveaus en antibiotica gevoeligheid onder de omstandigheden van gesimuleerde microzwaartekracht.
Zuurtolerantie
Om tandcariës te ontwikkelen, moet de bacterie S. mutans zich eerst hechten aan een tandoppervlak en een biofilm vormen die bekend staat als tandplak (figuur 2). Als een plaque voortdurend onder een pH-waarde van 5,4 blijft (wat zuur is), bevordert dit de demineralisatie van het tandglazuur.
De onderzoekers beoordeelden veranderingen in zuurtolerantie door bacteriepopulaties bloot te stellen aan een zure omgeving gedurende 0, 20, 30 en 45 minuten. Vervolgens telden zij het aantal kolonies om de overleving en het vermogen om lage pH’s te tolereren te evalueren (figuur 3).
Zij ontdekten dat aanpassing aan de normale zwaartekracht een duidelijke vermindering van de zuurtolerantie te zien gaf, terwijl in gesimuleerde microzwaartekracht de resultaten nogal variabel waren. Vermeldenswaard is dat de onderzoekers de cellen planktonisch kweekten, wat betekent dat de bacteriën vrij leefden (in vergelijking met biofilms, die een hogere weerstand hebben tegen schommelingen die zich in de omgeving voordoen). Tandplak is een voorbeeld van een biofilm, en de resultaten van hetzelfde experiment zouden dus anders kunnen zijn geweest als S. mutans in plaats daarvan in biofilms was gekweekt.
Adhesie
Laten we het nu eens hebben over adhesie. Dit gebeurt in aanwezigheid van sucrose via sucrose-afhankelijke (SDA) en sucrose-onafhankelijke (SIA) mechanismen. Het eerste is nodig voor de eerste aanhechting, terwijl het tweede verantwoordelijk is voor virulentie en pathogeniciteit. De onderzoekers kweekten bacteriekolonies onder de omstandigheden van normale zwaartekracht (NG) en gesimuleerde microzwaartekracht (MG) gedurende 100 dagen en analyseerden vervolgens de resultaten. Zoals te zien is op figuur 4, gedroegen suikerafhankelijke en suikeronafhankelijke mechanismen zich op verschillende manieren. De SDA-groep werd nauwelijks beïnvloed door microzwaartekrachtcondities. De SIA-groep daarentegen vertoonde enkele fenotypische variaties, terwijl bepaalde bacteriekolonies (zowel in normale zwaartekracht als in microzwaartekracht) zich niet met succes aan het oppervlak hechtten. Dit betekent echter niet dat deze resultaten universeel zouden zijn voor alle soortgelijke experimenten die in de toekomst worden uitgevoerd. De auteurs van het artikel bespreken hoe problematisch het kan zijn om “de invloed van de selectieomgeving (d.w.z. de ruimteomgeving) op dit fenotype [hechting van S. mutans aan oppervlakken] te voorspellen”.
Antibiotische gevoeligheid
S. mutans wordt op aarde veel bestudeerd, en behandeld met antibiotica. Maar aangezien de ruimte een buitenaardse omgeving is, stelde de onderzoeksgroep de vraag: hoe zullen deze bacteriën reageren op behandelingen in de ruimte? Zij testten zes verschillende antibiotica: amoxicilline, penicilline, clindamycine, erytromycine, methicilline en vancomycine. Het bleek dat de omstandigheden van gesimuleerde microzwaartekracht geen significante verandering in gevoeligheid teweegbrachten! De wetenschappers registreerden slechts een lichte toename van de gevoeligheid voor erytromycine en een toename van de resistentie tegen clindamycine.
Slotopmerking
Op basis van de verzamelde resultaten concludeerde het onderzoeksteam dat de microzwaartekrachtomgeving een grotere selectiekracht vertoonde dan een normale zwaartekracht. Dit betekent dat de omstandigheden in de afwezigheid van zwaartekracht moeilijker te veranderen zijn, waardoor het tempo van een mutatie aanzienlijk wordt vertraagd en, integendeel, als het milieu vatbaar is voor verandering, een groter aantal mutaties kan plaatsvinden.
De volgende stap is de bestudering van de genen (en daaruit resulterende eiwitten) die S. mutans in staat stellen zich aan dergelijke ongewone omstandigheden aan te passen. Een verhoogde fitness van deze bacteriën in de ruimte kan risico’s inhouden voor astronauten, zoals de ontwikkeling van ongewenste gebitsproblemen, zelfs in de ruimte. En terwijl we wachten op de oplossing, laten we hopen dat de astronauten zich aan boord van hun ruimteschip niet overgeven aan teveel suiker!
Link to the original post: Fernander, M.C., Parsons, P.K., Khaled, B. et al. Adaptation to simulated microgravity in Streptococcus mutans. npj Microgravity 8, 17 (2022).
Featured image: https://www.asc-csa.gc.ca/eng/search/video/watch.asp?v=1_40lih8na
Vertaald door: Liang Hobma
micro-bites.org 