Учёные, изучающие взаимодействие бактериофагов (вирусов, поражающих бактерии) и бактерий в условиях микрогравитации на Международной космической станции (МКС), обнаружили, что как вирусы, так и их бактериальные хозяева накапливают специфические мутации, отличающиеся от тех, которые возникают на Земле. Эти результаты основаны на сравнительном анализе геномов моделей, выращенных в условиях почти невесомости, и аналогичных культур, инкубированных на поверхности планеты.
Что такое бактериофаги и почему они важны
Бактериофаги (фаги) — это вирусы, которые инфицируют бактерии. Они чрезвычайно распространены в природе и играют ключевую роль в микробной экологии, включая регуляцию численности бактерий, передачу генов и эволюционную динамику микробных сообществ.
Фаги состоят из белковой оболочки и генетического материала; они прикрепляются к специфическим рецепторам на поверхности бактериальных клеток, вводят свой генетический материал и используют механизмы клетки-хозяина для собственного размножения, что в конечном итоге приводит к разрушению бактерии и высвобождению новых фаговых частиц.
Цель эксперимента на МКС
Авторы исследования использовали модельную систему — бактериофаг T7 и бактерии Escherichia coli — и наблюдали её поведение в двух идентичных средах: в условиях микрогравитации на борту МКС и в лабораторных условиях на Земле. Цель заключалась в том, чтобы понять, как отсутствие силы тяжести влияет на процесс взаимодействия инфекций и на эволюцию геномов обоих организмов.
Основные результаты: мутации в космосе
Анализ целых геномов выявил существенные различия между мутантными вариантами, развившимися на Земле, и теми, что возникли в условиях микрогравитации:
- У бактериофагов (T7), выращенных на МКС, наблюдалось накопление характерных мутаций, которые, по оценке исследователей, могут усиливать способность фага инфицировать бактерии или повышать его сродство к бактериальным рецепторам.
- У бактерий E. coli, экспонированных в присутствии фагов на МКС, также были обнаружены мутации, которые, вероятно, облегчают защиту бактерий от фаговой инфекции и повышают выживаемость в изменённых условиях невесомости.
Такие мутационные профили существенно отличались от тех, что наблюдались в аналогичных популяциях на Земле, где эволюционные изменения происходили в рамках обычной силы тяжести и обычной динамики взаимодействий.
Глубинный анализ
Чтобы более детально изучить характер изменений, учёные применили методику deep mutational scanning — высокопроизводительное сканирование всех возможных замен аминокислот в определённых белковых доменах. Это позволило выяснить, что изменения в генах, ответственных за связывание фага с клеткой хозяина, были особенно выражены у образцов, проходивших эволюцию в космосе.
Что это означает
Поскольку бактериофаги и бактерии находятся в постоянной «гонке вооружений» друг с другом — бактерии развивают механизмы защиты, а фаги адаптируются, чтобы преодолеть эти барьеры — подобные изменения в генах, связанных с инфекцией и устойчивостью, отражают различные эволюционные давящие условия в микрогравитации.
Условия на МКС отличаются от земных по наличию микрогравитации, ограниченному движению жидкостей и специфическому стрессу для клеток. Это создаёт отдельную селективную среду, в которой одна и та же система взаимодействий бактерия–фаг эволюционирует иначе, чем на Земле.
Практические и научные последствия
Результаты такого исследования имеют несколько важных направлений применения:
1. Биомедицина и фаговая терапия:
Мутации, стимулированные микрогравитацией, оказываются отличными моделями для поиска фагов с повышенной способностью поражать устойчивые к антибиотикам бактерии на Земле. Показано, что некоторые мутантные варианты фагов, полученные в условиях микрогравитации, могут эффективно инфицировать бактерии, устойчивые к обычным фагам.
2. Планирование долгосрочных космических миссий:
Поскольку микробы участвуют во многих жизненно важных процессах на борту космических станций, от микробиома до замкнутых систем жизнеобеспечения, понимание того, как штаммы бактерий и вирусов будут адаптироваться в невесомости, критично для здоровья экипажа и безопасности миссии.
3. Эволюционная биология:
Механизмы накопления мутаций в различных средах позволяют учёным лучше понимать базовые принципы эволюции, особенно в необычных условиях, которые невозможно моделировать на Земле.
Почему исследования в космосе дают уникальные данные
Микрогравитация — это фундаментальное изменение одной из ключевых физических сил, действующих на биологические системы. В таких условиях движение жидкостей, распределение питательных веществ, механические взаимодействия между клетками изменяются, что может влиять на репликацию и передачу генетического материала.
В результате даже базовые процессы, такие как распространение фаговой инфекции, проходят по иным траекториям, что в конечном итоге приводит к уникальным эволюционным результатам, включая отличающиеся спектры мутаций.
Выводы
Эксперименты с бактериофагом T7 и E. coli, проведённые на Международной космической станции, показали, что микрогравитация изменяет путь эволюции микробов и вирусов, отражаясь в характере накопленных генетических изменений. Эти отличия в мутациях, как у вируса, так и у бактерий, дают представление о том, как биологические системы адаптируются к условиям космоса и что это может значить для медицины, космонавтики и фундаментальной биологии на Земле.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
