Livet udvikler tilpasninger til mikrogravitation

Livet har fundet måder at overvinde, og trives endda, i mange ekstreme situationer - fra super saltvandspuljer til de høje temperaturer i hydrotermiske ventilationsåbninger. Et nyt eksperiment har vist, at mikrogravitationen i rummet også er et miljø, hvor livet kan tilpasse sig.

Forskere ved University of Houston brugte to næsten identiske stammer af ikke-patogene E. coli, en almindelig bakterie, der findes i tarmene fra dyr, og afprøve dem. En stamme, NCM520, blev dyrket i en kolbe under normale jord-tyngdekraftsforhold, mens den anden, MG1655, blev placeret i et særligt kammer udlånt fra Johnson Space Center, der simulerer mikrogravitation. Lille nok til at passe i håndfladerne, fartøjet med højt formatforhold (HARV) roterer langsomt (ca. 25 o / min) på siden, så mikroberne, der vokser i de flydende medier indeni, er i frit fald.

Efter at have vokset i tusind generationer i HARV-langt længere end nogen tidligere forsøg med bakterier-havde MG1655-stammen vokset den tyngdekraftsstyrede stamme, NCM520, med en faktor tre til en. Forskerne udledte, at stressen ved at være i et mikrogravitationsmiljø havde foranlediget en tilpasning, der øgede konkurrenceevnen for MG1655 -stammen.

"At gennemføre disse undersøgelser på Jorden ved at simulere mikrogravitation er ekstremt vigtigt, hvis vi skal få et mere omfattende billede af mikrobiel overlevelse i rummet, "siger Madhan Tirumalai, hovedforskeren og en mikrobiolog ved University of Houston.

Tirumalai's team ønskede at vide, om denne tilpasning skete på det genetiske niveau, eller om det var en fysiologisk reaktion på ændringen i tyngdekraften. Som en analogi, hvis en person bevæger sig fra et koldt sted til ækvator, hvordan tilpasser han sig til temperaturændringen, og ville hjemrejse slette disse tilpasninger? Sletning ville betyde, at tilpasningerne er fysiologiske, ikke genetisk.

Forskerne fandt ud af, at 72 procent af MG1655 -stammens adaptive fordel blev bevaret efter dens tilbagevenden til normal tyngdekraft og efterfølgende vækst i yderligere 10 eller 20 generationer. Forskerne konkluderede, at mens nogle af ændringerne var fysiologiske, dem, der var tilbage, når de vendte tilbage til jorden, tyngdekraften fandt sted på det genetiske niveau og gav den mikrogravity-tilpassede stamme en fordel i forhold til den ikke-tilpassede stamme. Nærmere undersøgelse viste, at 16 gener havde muteret i MG1655, herunder fem gener, der er knyttet til dannelsen af ​​biofilm - surA, fimH, trkH, fhuA og ygfK gener.

Biofilm er tynde samlinger af celler, der kæder sammen for at muliggøre bedre fordeling af ressourcer og vedhæftning til overflader. En forbedret dannelse af biofilm er fordelagtig for bakteriel overlevelse, og denne tilpasning til mikrogravitation ville tilsyneladende forbedre bakteriers evne til at kolonisere overflader i rummiljøer. Selvom Tirumalai's forskning har konsekvenser for bakteriel evne til at kolonisere den internationale rumstation, andre forskere kan nu begynde at spørge, om lignende tilpasningsundersøgelser kan hjælpe med at undersøge muligheden for, at bakterier kan overleve udenjordiske indstillinger, såsom asteroider, kometer eller små måner.

"Sæt en mikrobiel organisme under alle stressbetingelser eller i en ny slags miljø, og over en periode vil den begynde at undergå mutationer i en retning, der vil hjælpe den med at opnå en form for vækstfordel for at overleve, "siger Tirumalai.

Resultaterne repræsenterer en form for "eksperimentel evolution, "hvor en bakteriestammes udvikling manipuleres af de eksperimentelle miljøer og belastninger, hvori bakterierne placeres, siger mikrobiolog Robert McLean, en biolog ved Texas State University, der ikke var involveret i Tirumalais forskning.

"Fra mit perspektiv, betydningen af ​​disse fund er, at der forekom nogle tidligere ukendte mutationer i stammen af ​​E. coli udsat for mikrogravitation, "siger McLean." Disse repræsenterer langsigtede ændringer, som eksperimentel evolution kan teste for. "

Sundhedsrisici

Der er også en mulig forbindelse mellem væksten af ​​biofilm og bakteriens virulens. Selvom stammerne af E. coli, der blev brugt i forsøget, ikke var patogene, det sæt gener, der er ansvarlige for dannelse af biofilm i patogene stammer, er tæt forbundet med generne, der er involveret i patogenicitet. Ændringer i det ene sæt gener vil medføre ændringer i det andet sæt.

"Der er en sandsynlighed for, at de virulente gener vil gennemgå mutationer og selektion for at få stammer til at blive mere virulente, "siger Tirumalai.

Yderligere tegn på dette er tilfældet med den patogene stamme Salmonella enterica serovar Typhimurium. Tidligere forsøg ledet af genetikeren James Wilson fra Villanova University viste, at denne salmonellastam voksede mere virulent efter udsættelse for mikrogravitation.

"Biofilmdannelse er ikke kun kritisk for bakteriekolonisering, men det er også forbundet med bakteriel virulens, "siger Tirumalai.

Bortset fra de astrobiologiske konsekvenser, fundene kan også afsløre problemer for astronauter på den internationale rumstation eller dyb rumrejser. Biofilm kan forurene systemer til genbrug af vand, mens øget virulens kan udgøre en sundhedsrisiko for astronauter. Imidlertid, det mangler at blive bekræftet, om bakterier som E. coli eller Salmonella gør, Ja, opføre sig på denne måde i et rigtigt rummiljø, eller om mikrogravitation påvirker andre bakterier på denne måde.

"Andre bakterier og organismer kan gøre noget helt andet, "advarer McLean.

Overlever i rummet

Forudsat at andre bakterier virker som E. coli i mikrogravitation, dette kan potentielt have vigtige konsekvenser for astrobiologien. Panspermia -teorien antyder, at biologisk materiale kunne overføres mellem planetariske kroppe via asteroider og rumrester, men ville kræve, at mikrober blomstrede i lange perioder i rummet. Det er muligt, at livet kunne have byttet Jorden til Mars og omvendt efter enorme påvirkninger, der sendte stenet affald pakket med mikrober ud i rummet. McLean foreslår, at for at livet skal overleve en sådan rejse, den skal først modstå varmen og energien ved den første påvirkning, der sprængte den ud i rummet, derefter de ekstreme forhold i interplanetarisk rum, og endelig varmen og energien ved at komme ind i atmosfæren og påvirke jorden på en ny planet.

McLean påpeger, at hans forskning viser, at bakterier kan overleve genindtræden og påvirkning. Hans gruppe gennemførte et mikrobielt eksperiment for at teste, om der kunne dannes biofilm i rummet ombord på rumfærgen Columbias sidste flyvning i 2003 og fandt ud af, at mirakuløst, bakterierne overlevede ødelæggelsen af ​​rumfærgen. Det er i øjeblikket ukendt, imidlertid, om øget biofilmdannelse i rummet ville styrke sandsynligheden for, at mikrober kunne overleve rumforhold.

"Jeg ved ikke, om biofilmvækst ville gøre en forskel eller ej, "siger McLean, "men det ville være interessant at teste."

Yderligere eksperimenter kan finde sted i HARV'er på Jorden, men for at bekræfte, at bakterier virkelig opfører sig på samme måde i rummet, Tirumalai mener, at det er afgørende, at vi tager disse tests i kredsløb.

"Det er nu meget vigtigt at udføre disse eksperimenter på den internationale rumstation og se, hvordan disse organismer reagerer på virkelige rumforhold, "siger Tirumalai.

I betragtning af omkostningerne og vanskelighederne ved at oprette forsøg på rumstationen, han accepterer, at dette ikke må ske når som helst snart.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NASA's Astrobiology Magazine. Udforsk Jorden og videre på www.astrobio.net.