Microbiologie in hapklare porties
Micro-G en bacteriële machines
Wij weten dat een van de meest verbazingwekkende dingen over microben is dat zij overal voorkomen, en het is dan ook niet echt verrassend dat zij, ondanks voorzorgsmaatregelen, worden aangetroffen in verband met ruimtevaartuigen. Dit is fascinerend voor ons, want door hun aanwezigheid op deze “levensgevaarlijke” voertuigen, ontdekken wij het geheim achter de aanwezigheid en het overleven van micro-organismen in de ruimte – een omgeving die zo extreem is dat het leven aarzelt om zich te openbaren.
Ruimtefactoren die van invloed zijn op (drastische) microbiële reacties om te overleven kunnen de vorm aannemen van galactische kosmische straling, UV-straling van de zon, ruimtevacuüm en microzwaartekracht. Dit artikel is een kleine poging om een beeld te schetsen van de gevolgen van microzwaartekracht voor het metabolisme van bacteriën, of gewoonweg de inwendige machinerie van die veerkrachtige bacteriën.
Wat is “microzwaartekracht”?
Microzwaartekracht wordt ook wel de micro-g (μg)-omgeving genoemd en is het zwaartekrachtbereik in het internationale ruimtestation (ISS). NASA definieert microzwaartekracht als de toestand waarin mensen of voorwerpen gewichtloos lijken te zijn.
Ruimtevaartuigen hebben het supervermogen om door buitenaardse omstandigheden zoals lage zwaartekracht te navigeren, wat in het algemeen elke vorm van leven zou kunnen benauwen. Aangezien bacteriën zeer “klein” zijn, zou men kunnen veronderstellen dat zij misschien geen zwaartekracht ervaren, maar dit is in feite niet waar; zoals alle organismen krijgen ook zij te maken met de nadelige gevolgen van veranderde zwaartekracht (in de vorm van microzwaartekracht) ten opzichte van die van de aardse zwaartekracht wanneer zij zich naar de ruimte begeven. Dit gebeurt vaak in de vorm van cellulaire stress die zich meestal uit in een wijziging van het metabolisme, het tot overexpressie brengen van genen die verband houden met verhongering, het vergroten van de transmembraan instroom, het vormen van een biofilm, en zelfs het dienovereenkomstig veranderen van hun virulentie, zoals de afgelopen 60 jaar is waargenomen.
Op aarde worden wij (als haar bewoners) onveranderlijk beïnvloed door de zwaartekracht, zozeer zelfs dat het onmogelijk is om zelfs maar 1g van de zwaartekracht op de planeet af te schaffen! Daarom is het nabootsen van omstandigheden van microzwaartekracht moeilijk; en om deze microzwaartekracht na te bootsen, wordt een “vrije val“-situatie gecreëerd.
Wat voor effect heeft microzwaartekracht op bacteriën?
Maar hoe kunnen we dat nabootsen? Nou, Gayatri Sharma en haar team (2022) stellen voor het uitvoeren van experimenteel werk op microzwaartekracht te doen op twee manieren: ten eerste op een echte ruimtevaartuig zoals het ISS, en / of ten tweede in Ground-Based Facilities (GBFs) dat microzwaartekracht na te bootsen. Maar let op: in GBF’s is er geen verhoogde blootstelling aan straling in tegenstelling tot de werkelijke ruimtevluchten en daarom leveren beide experimentele ontwerpen niet altijd dezelfde resultaten op.
Microben reageren gewoonlijk op veranderingen in de zwaartekracht door middel van mechano-transductiesystemen, of eenvoudigweg – de omzetting van mechanische signalen in cellulaire reacties (genexpressie, DNA-supercoiling enzovoort). Overigens vertoont elke microbiële soort bij stress of in overlevingsmodus zijn specifieke reacties, die in gang worden gezet door de inductie van cryptische genclusters. Nieuwe moleculen, secundaire metabolieten genaamd, worden dan op onvoorspelbare wijze gevormd en helpen bij de homeostase in de cellen. De effecten van microzwaartekracht op het secundaire metabolisme zijn afhankelijk van de geanalyseerde stam, groeiconditie, gebruikte pathway of tijdsverloop.
Tot dusver zijn de bacteriën die voor ruimteonderzoek worden gebruikt reeds geïdentificeerd en onderzocht als producenten van metabolieten, en de meeste secundaire metabolieten zijn onthuld als polyketiden en niet-ribosomale peptiden.
Biofilmvorming is een bekende reactie in de ruimte door de opportunistische Staphylococcus aureus, Escherichia coli en Pseudomonas aeruginosa, die wordt beïnvloed door het aminozuurmetabolisme. Met name het aminozuur arginine speelt een tweeledige rol tijdens ruimtevluchten; het reguleert de biofilmvorming en voorkomt oxidatieve stress.
Zo vertoont de bacterie Klebsiella pneumoniae, gekweekt op het Shenzhou ruimtevaartuig 10, een verhoogd hechtingsvermogen, verhoogde biofilmvorming, en overleving onder microzwaartekrachtstress. Metabolische genen die verband houden met aminozuren, TCA, enz. komen ook steeds meer tot expressie, ongeacht de beschikbare koolstofbronnen, en worden gedownreguleerd tijdens het metabolisme van vetzuren.
Onder invloed van microzwaartekracht maken gestresste bacteriën ook meer antibiotica (secundaire metabolieten) aan dan normaal. Dit wordt waargenomen bij Bacillus brevis (antibioticum Gramicidin S), Streptomyces hygroscopicus (rapamycine), Streptomyces ansochromogenus (nikkomycines).
Bovendien stapelen bacteriële cellen onder microzwaartekracht toxines op, waarbij diffusie en browniaanse beweging (willekeurige beweging van de moleculen) de moleculaire beweging beperken door het ontbreken van zwaartekracht. Dit leidt tot uitputting van de beschikbaarheid van voedingsstoffen buiten de cel en ophoping van giftige cellulaire bijproducten in de buurt van de cel.
De studie over Microcystis aeruginosa is een verhaal van voorzichtigheid, vooral voor ons en onze collega-ruimtevaarders. Onder microg groeide de giftige cyanobacterie abnormaal snel (2 dagen in plaats van de normale 6 dagen), waarbij het toxine microcystine actief in de media vrijkwam. De wetenschappers brachten de oorzaak van deze drastische toxine-afgifte in verband met de verhoogde fotosynthetische pigmentconcentratie en de hogere stikstofopname onder de door micro-g veroorzaakte stress. Zij concludeerden dat gesimuleerde microzwaartekracht M.aeruginosa inderdaad veel gevaarlijker maakte.
Gayatri Sharma wijst erop dat de veranderingen in het primaire metabolisme vrij duidelijk zijn en op hun beurt het secundaire metabolisme onbedoeld beïnvloeden. Er is echter nog veel ontbrekende kennis over het dynamische verband tussen de twee (primaire en secundaire stofwisseling) vooral tijdens ruimtevluchten, waarop onderzoekers zich kunnen richten.
Het belang van de studie
Een greep op het metabolisme van die kleine bacteriële “free- rent” in ruimtevoertuigen kan de effecten van de metabolieten onderscheiden- specifiek secundaire metabolieten (bv. toxines) die verder inzicht kunnen verschaffen in het beperken van mogelijke schade aan de ruimtevarende infrastructuur.
Gegevens uit transcriptomica en metabolomica van de bacteriële pool zouden zeker nieuwe microbiële producten en interessante genclusters kunnen opleveren die zonder twijfel de bioprocessing en de meeste microbiële methodologieën zouden evolueren.
In de moderne bioprocestechnologie kunnen de veranderingen (temperatuur, beschikbaarheid van zuurstof en diffusie) die door microzwaartekracht worden veroorzaakt, adequaat worden benut voor de productie van gemanipuleerde microben. Uit de bevindingen aangepaste microben zouden verder kunnen worden gebruikt om planten te kweken aan boord van ruimteschepen – hoe cool is dit?! De afbeelding hieronder (figuur 4) toont soortgelijke experimenten (al aan het werk!) met het kweken van planten (radijsjes) aan boord van ruimtevluchten (Expeditie 64 Vlucht) in het jaar 2020.
Ruimtevoertuigen die (ongewild) diverse microbiota in stand houden zijn nog steeds onderbestudeerd; bevindingen uit deze studie en verder graafwerk (onderzoek) zouden de volgende veilige vluchtmissies zeker mogelijk maken!
Link to the original post: Sharma G, Curtis PD. The Impacts of Microgravity on Bacterial Metabolism. Life. 2022; 12(6):774.
Featured image: Image source: https://www.quranmualim.com/explain-what-is-microgravity-quranmualim/
Vertaald door: Liang Hobma
micro-bites.org 