Virusurile sunt mai puternice în microgravitaţie, conform unui experiment derulat pe Staţia Spaţială Internaţională (ISS) în condiţii similare (cu excepţia microgravitaţiei) cu un experiment martor derulat la Universitatea Wisconsin-Madison (SUA), ale cărui rezultate au fost publicate recent în jurnalul PLOS Biology, transmite Live Science.
Staţia Spaţială Internaţională (ISS) este un ecosistem închis, iar viaţa la bordul său, inclusiv cea microbiană sau bacteriană se comportă altfel decât pe Pământ.
În cadrul studiului au fost studiate virusuri care infectează bacteriile, denumite virusuri bacteriofage. Conform studiului, microgravitaţia poate întârzia infecţiile şi poate remodela evoluţia atât a virusurilor bacteriofage cât şi a bacteriilor. De asemenea poate duce la identificarea unor noi combinaţii genetice care pot ajuta în lupta împotriva bacteriilor care provoacă anumite boli, potrivit Agerpres.
Studierea sistemelor bacteriofage în spaţiu nu este doar o curiozitate pentru astrobiologie. "Este o modalitate practică de a înţelege şi anticipa modul în care se comportă ecosistemele microbiene în navele spaţiale şi de a explora noi soluţii pentru terapia bacteriofagică şi ingineria microbiomului acasă", a declarat pentru Space.com Dr. Phil Huss, profesor la Universitatea din Wisconsin-Madison şi unul dintre autorii principali ai studiului.
Virusurile bacteriofage sunt cele mai abundente entităţi biologice de pe planetă, experţii estimând că pe Pământ există aproximativ 10 la puterea 31 astfel de corpuri virale. Nu este surprinzător faptul că virusurile bacteriofage ("mâncătoare de bacterii"), se găsesc peste tot, modelând ecosistemele microbiene din oceane, soluri şi chiar corpurile noastre. Dar locul unde bacteriofagele pot avea cel mai mare impact asupra omului este ca posibil tratament împotriva bacteriilor rezistente la antibiotice şi a altor infecţii bacteriene.
Aceste virusuri funcţionează ca nişte "sisteme de livrare" minuscule învelite în proteine. Unele astfel de virusuri, cum ar fi T7, utilizat în acest studiu, infectează bacteriile prin ataşarea la o anumită caracteristică de suprafaţă a celulei - adesea o moleculă încorporată în membranele exterioare ale celulei bacteriene - de unde îşi injectează apoi materialul său genetic în mediul intracelular. Odată ajuns în interior, acest material genetic deturnează mecanismul bacteriei pentru a face mai multe copii ale sale. În cele din urmă, celula bacteriană moare şi eliberează un nou val de particule virale care pot infecta bacteriile din apropiere.
Acest proces specific de atac al virusurilor bacteriofage declanşează apoi o cursă evolutivă a înarmărilor între virusuri şi bacterii, deoarece bacteriile pot dezvolta rezistenţă la aceste atacuri prin schimbarea sau ascunderea vulnerabilităţilor de pe membrana celulară.
În condiţiile microgravitaţiei, lucrurile devin şi mai complicate.
Pentru a studia modul în care microgravitaţia afectează acest proces, cercetătorii au folosit un virus bacteriofag numit T7 şi prada sa bacteriană, Escherichia coli, sau ceea ce este mai cunoscut sub numele de E. coli. Pentru a izola efectele microgravitaţiei cât mai optim cu putinţă, echipa a pregătit două seturi identice de eprubete cu culturi de bacterii, neagitate şi incubate la aceeaşi temperatură timp de una, două sau patru ore şi o perioadă mai lungă de 23 de zile. Un set de eprubete a fost transportat pe ISS în 2020, în timp ce celălalt a rămas la sol.
"Experimentul a trebuit să funcţioneze în limite stricte ale NASA: criofiolele sigilate au trebuit să treacă teste de biocompatibilitate şi scurgeri, să reziste la cicluri multiple de îngheţ-dezgheţ şi să demonstreze că sunt sigure pentru manipularea pe orbită", a explicat Huss. "Dimensiunea eşantionului este mult mai mică decât cea cu care suntem obişnuiţi la sol, iar proiectarea unui experiment în jurul acestui aspect a fost o provocare!", a adăugat el.
Echipa a variat, de asemenea, raporturile iniţiale de virus bacteriofag la E. coli, cu unele dintre probe conţinând o încărcătură virală mai numeroasă decât altele.
Deoarece cele două experimente nu au putut funcţiona perfect în paralel, echipa a înregistrat timpii exacţi de incubare pe ISS şi apoi i-a comparat pe Pământ ulterior, o soluţie comună pentru multe experimente biologice de pe ISS.
În condiţii tipice de laborator de pe Pământ, virusurile bacteriofage T7 pot infecta şi ucide celulele E. coli în mai puţin de o oră. Dar în sistemul complet sigilat şi configuraţia fără agitare, care a imitat condiţiile de microgravitaţie, sistemul s-a mişcat în general mai lent.
Pe Pământ, grupul de control a prezentat o creştere a infecţiilor virale pe bacterii între două şi patru ore, dar în microgravitaţie, creşterea nu a apărut în niciuna dintre perioadele de incubaţie mai scurte, sugerând că procesul de infectare virală a bacteriilor a încetinit. Cu toate acestea, flacoanele cu timpi de incubaţie mai lungi au spus o poveste diferită, deoarece după 23 de zile pe orbită, procesul de infectare a avut succes, cu mai puţine E. coli găsite în flacoane.
"Emitem ipoteza că amestecarea redusă a fluidelor în microgravitaţie, deoarece nu există convecţie determinată de gravitaţie, scade rata de întâlnire dintre virusurile bacteriofage şi bacterii şi că stresul indus de microgravitaţie asupra gazdei poate altera expresia receptorilor sau procesele intracelulare, încetinind şi mai mult infecţia productivă", a adăugat Huss.
Cu alte cuvinte, în microgravitaţie, virusurile şi bacteriile nu se întâlnesc la fel de des şi bacteriile ar fi putut evolua pentru a fi mai rezistente la atacurile virale, astfel încât întregul ciclu începe mai târziu decât pe Pământ.
După 23 de zile, echipa a analizat structura genetică a virusurilor şi a observat mutaţii specifice microgravitaţiei în genomul lor, în special în genele legate de structură şi interacţiunea cu bacteria gazdă. Aceste mutaţii au schimbat modul în care virusul infectează bacteria.
"Pentru mine, una dintre cele mai izbitoare descoperiri a fost nu doar faptul că mutaţiile au apărut în genomul virusului, ci şi faptul că microgravitaţia a împins evoluţia în direcţii pe care încă nu le înţelegem pe deplin", a spus Huss.
Pe baza descoperirilor lor, microgravitaţia ar putea nu doar să schimbe cât de repede se produce infecţia, ci şi care dintre genele unui virus contează cel mai mult atunci când vine vorba de infectarea cu succes a unei gazde bacteriene.
"Abia începem să zgâriem la suprafaţă", a declarat pentru Space.com Dr. Srivatsan Raman de la Universitatea din Wisconsin-Madison, un alt autor principal al studiului. "Trebuie doar să facem mai multe experimente cu condiţii mai complexe", a adăugat el.
Virusurile nu au fost singurele care s-au modificat, bacteriile au evoluat la rândul lor. E. coli expusă virusului a acumulat mult mai multe mutaţii decât bacteriile fără ameninţări din partea acestuia, în concordanţă cu presiunea de selecţie care împinge această cursă colectivă a înarmării.
Unele dintre cele mai notabile schimbări au afectat genele legate de membranele exterioare, modificând potenţial ataşamentul particulelor virale şi ajutând în acelaşi timp bacteriile să supravieţuiască stresului.
"Microgravitaţia nu doar încetineşte lucrurile, ci remodelează calitativ coevoluţia virus-gazdă, de la dinamica infecţiei la genele şi mutaţiile specifice care contează", a remarcat Huss.
Folosind o tehnică numită scanare mutaţională profundă, echipa a scanat peste 1.600 de variante de mutaţii în genomul viral, descoperind că mutaţiile "câştigătoare" în microgravitaţie diferă puternic de cele de pe Pământ.
Cercetătorii au folosit aceste mutaţii pentru a crea virusuri modificate pe care le-au testat pe E. coli uropatogenă - tulpini de E. coli asociate cu infecţii ale tractului urinar - care au fost mai rezistente la atacurile virusului T7. Rezultatele au arătat că aceste virusuri modificate pot ucide bacteriile rezistente.
"Ceea ce am descoperit în studiu a fost că virusurile mutante care au fost îmbogăţite în microgravitaţie ar putea trata bacteriile uropate şi le-ar putea ucide. Acest lucru ne spune că există ceva legat de condiţia de microgravitaţie care o face relevantă pentru tratarea agenţilor patogeni de pe Pământ", a spus Raman.
Descoperirea are implicaţii majore pentru posibile tratamente ale bolilor bacteriene aici, pe Pământ, de la intoxicaţia cu salmonella la pneumonie şi sepsis. Însă efectuarea testelor suplimentare necesare pentru a ajunge acolo ar putea fi dificilă.
În plus, aceste rezultate sugerează că microbii spaţiali nu vor stagna evolutiv, ci se vor adapta şi vor evolua în moduri specifice microgravitaţiei şi diferite faţă de mediul terestru.
Pentru medicină rezultatele acestui studiu sunt promiţătoare pentru că microgravitaţia ar putea ajuta oamenii de ştiinţă să dezvolte virusuri bacteriofage care pot ucide bacterii care au dezvoltat rezistenţă la alte tipuri de tratamente.
Comentează