In einer nahezu schwerelosen Mikrogravitationsumgebung können Viren, die Bakterien gezielt infizieren, immer noch normal „kämpfen“. Allerdings verläuft der Kampf zwischen Viren und Bakterien im Weltraum völlig anders als auf der Erde. Ein neues Experiment, das auf der Internationalen Raumstation durchgeführt wurde, zeigt, dass Bakteriophagen, die E. coli infizieren, den Infektionsprozess in einer Orbitalumgebung immer noch erfolgreich abschließen können, die Interaktion zwischen dem Virus und dem Wirt hat sich jedoch erheblich verändert, was wichtige Hinweise für zukünftige Verbesserungen bei Virustherapien auf der Erde liefert. Die entsprechende Forschung wurde vom Team von Phil Huss an der University of Wisconsin-Madison geleitet und am 13. Januar in der Open-Access-Zeitschrift PLOS Biology veröffentlicht.
In mikrobiellen Ökosystemen wird die Beziehung zwischen Phagen und Bakterien oft als fortlaufendes „evolutionäres Wettrüsten“ betrachtet: Bakterien entwickeln weiterhin Abwehrmechanismen, während Phagen weiterhin Gegenmaßnahmen entwickeln. Dieses Spiel wurde umfassend in der normalen Schwerkraftumgebung der Erde untersucht, aber die Mikrogravitation verändert nicht nur das physiologische Verhalten der Bakterien selbst, sondern beeinflusst auch die Häufigkeit des physischen Kontakts zwischen dem Virus und der Wirtszelle, was den Rhythmus und den Weg des Infektionsprozesses völlig neu bestimmen kann. Derzeit weiß der Mensch noch sehr wenig über diese „Virus-Bakterien-Beziehung“, die sich im Weltraum abspielt. Deshalb hat das Forschungsteam kontrollierte Experimente entwickelt, um herauszufinden, wie die Schwerelosigkeit diese mikroskopische Ökologie verändert.
Die Forscher entschieden sich für den klassischen E. coli-Phagen T7 und ließen eine Gruppe infizierter E. coli auf dem Boden kultivieren, während die andere Gruppe zur Internationalen Raumstation geschickt wurde, um dort gleichzeitig unter Bedingungen nahezu der Schwerelosigkeit zu wachsen. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass der T7-Phage in der Umgebung einer Raumstation E. coli immer noch infizieren kann, der Infektionsauslösungsprozess jedoch deutlich langsamer ist. Anschließende Gensequenzierungsanalysen zeigten, dass sich die Mutationsmuster von Viren und Bakterien aus Weltraumproben deutlich von denen der Bodenkontrollgruppe unterschieden, was ihre eigenen einzigartigen Evolutionspfade zeigte.
Insbesondere hat der T7-Phage in der Orbitalumgebung eine Reihe spezifischer genetischer Veränderungen angesammelt. Es wird angenommen, dass diese Veränderungen dabei helfen, Rezeptoren auf der Bakterienoberfläche effizienter zu erkennen und sich an sie zu binden, wodurch die Infektionseffizienz verbessert wird. Gleichzeitig kam es auch in E. coli in einer Schwerelosigkeitsumgebung zu einer Reihe von Mutationen. Diese Veränderungen könnten seine Widerstandsfähigkeit gegen Phagenangriffe und seine Überlebensanpassungsfähigkeit unter Bedingungen nahezu der Schwerelosigkeit verbessern. Dies zeigt, dass sowohl Viren als auch Bakterien in der extremen Umgebung des Weltraums ihre adaptive Evolution auf anderen Flugbahnen als auf der Erde beschleunigen.
Um die molekulare Grundlage dieser Veränderungen weiter zu analysieren, nutzte das Forschungsteam die „Deep Mutational Scanning“-Technologie, um eine systematische Analyse des Rezeptor-bindenden Proteins des T7-Phagen durchzuführen. Dieses Schlüsselprotein bestimmt direkt, ob der Phagen Wirtsbakterienzellen erkennen und in sie eindringen kann. Kleine Änderungen in seiner Aminosäuresequenz können das Infektionsspektrum und die Infektionseffizienz erheblich beeinflussen. Die Ergebnisse des Tiefenmutationsscans zeigten eine Reihe unterschiedlicher Mutationen in diesem Protein zwischen Raumstationsproben und Bodenproben, und diese „weltraumbedingten Mutationen“ wurden anschließend in Experimenten auf der Erde bestätigt, um die Fähigkeit von Phagen, verschiedene Bakterienstämme anzugreifen, zu verändern.
Anschließend am Boden durchgeführte funktionelle Experimente zeigten, dass T7-Phagen, die diese in der Weltraumumgebung gebildeten Mutationen tragen, stärkere abtötende Wirkungen auf bestimmte E. coli-Stämme zeigten, die beim Menschen Harnwegsinfektionen verursachen. Diese Zielstämme waren ursprünglich von Natur aus resistent gegen gewöhnliche T7-Phagen, wurden jedoch anfälliger für den „im Weltraum entwickelten“ Phagen. Diese Entdeckung legt nahe, dass spezielle evolutionäre Veränderungen, die durch die Weltraumumgebung hervorgerufen werden, neue Anwendungsrichtungen für die Phagentherapie eröffnen könnten, insbesondere im Umgang mit schwer zu behandelnden arzneimittelresistenten Krankheitserregern.
In der Studie wurde darauf hingewiesen, dass die Durchführung phagenbezogener Experimente auf der Internationalen Raumstation nicht nur eine direkte Bedeutung für die künftige langfristige bemannte Raumfahrt und das Gesundheitsmanagement der Raumstation hat, sondern auch eine neue Ideen- und Werkzeugbibliothek für die Antiinfektionsbehandlung am Boden bietet. Im Vergleich zu herkömmlichen Evolutionsexperimenten, die in Erdlabors durchgeführt werden, kann die Mikrogravitationsumgebung im Weltraum Viren und Bakterien dazu zwingen, systematisch einen anderen Anpassungspfad einzuschlagen, wodurch biologische Mechanismen und Ziele freigelegt werden, die unter herkömmlichen Bedingungen schwer zu beobachten sind. Die Autoren kamen in der Arbeit zu dem Schluss, dass der Weltraum die Interaktion zwischen Phagen und Bakterien grundlegend verändert: Der Infektionsprozess verlangsamt sich und die Evolutionsverläufe beider Parteien unterscheiden sich völlig von denen auf der Erde.
Durch die Analyse dieser weltraumgestützten Anpassungen gewannen die Forscher nicht nur neue Erkenntnisse über die Koevolution von Viren und Bakterien, sondern entwickelten auch Phagenkandidaten mit „deutlich größerer Aktivität“ gegen arzneimittelresistente Krankheitserreger auf der Erde. Diese Errungenschaft zeigt das Potenzial der Nutzung des Weltraums als „natürliches Evolutionslabor“ und zeigt auch, dass Weltraumexperimente in Zukunft mit Bodentechniktechnologie kombiniert werden können, um die Entwicklung einer neuen Generation präziser und effizienter Phagenbehandlungen zu beschleunigen, um der immer schwerwiegenderen Bedrohung durch arzneimittelresistente Bakterien auf der ganzen Welt zu begegnen.
Zusammengestellt von /ScitechDaily