Mechanizmy adaptacyjne bakterii pobranych z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej przebadali naukowcy z Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego i Sano – Centrum Medycyny Obliczeniowej. Odkrycia wskazują, że mikroorganizmy przeszły znaczące zmiany fizjologii komórkowej i metabolizmu poprzez nowatorskie strategie przetrwania.
Na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) mikroorganizmy są poddawane ciągłemu sprawdzianowi przetrwania w ekstremalnych warunkach. Z minimalnym dostępem do wody i składników odżywczych oraz w hermetycznych, ograniczonych przestrzeniach muszą przystosować się do życia w nowym, wymagającym środowisku. Podobnie mikrograwitacja i stres hipotoniczny wobec zmniejszonego stężenia soli w otoczeniu, a także intensywne promieniowanie kosmiczne, zmuszają bakterie do opracowania innowacyjnych strategii przetrwania.
Zespół badaczy z krakowskich jednostek badawczych: Małopolskiego Centrum Biotechnologii UJ oraz Sano – Centrum Medycyny Obliczeniowej, w ścisłej współpracy z partnerami z Jet Propulsion Laboratory NASA i Acibadem University w Stambule, prowadzi badania nad tym, jak mikroorganizmy przystosowują się do tych ekstremalnych warunków. Najnowsze wyniki, opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Microbiome, wskazują, że bakterie wyizolowane z ISS przeszły znaczące zmiany fizjologii komórkowej i metabolizmu poprzez nowatorskie strategie przetrwania.
Pięć bakterii wyizolowanych z ISS posiada informacje zakodowane w DNA niewystępujące u ich ziemskich krewnych. Należą do nich geny związane z syntezą peptydów, transportem przez błony komórkowe oraz kanałami mechanosensorycznymi. Te ostatnie zapewniają ochronę przed rozerwaniem komórek w przypadku stresu hipotonicznego. W genomach dwóch blisko spokrewnionych gatunków z rodzaju Microbacterium odkryto unikalne białka powierzchniowe z rodziny oksydoreduktaz, nieobecne u gatunków spokrewnionych na Ziemi. Nowoodkryte geny i białka mogą być kluczowe dla przetrwania bakterii w przestrzeni kosmicznej, podkreślając ich unikalne adaptacje do skrajnych warunków.
W kosmicznych szczepach bakterii zauważono też wzrost liczby metaloproteinaz, w tym metalopeptydaz. Białka te zarządzają stresem oksydacyjnym, a więc neutralizują wolne rodniki, które uszkadzają struktury komórkowe bakterii, chroniąc przed szkodliwymi skutkami promieniowania. Mutacje w genach tychże metalopeptydaz również odzwierciedlają adaptację do ekstremalnych warunków, o czym świadczy zwiększona w składzie tych białek ilość aminokwasów argininy i metioniny. Arginina zapewnia większą stabilność strukturalną enzymów, a zwiększona obecność metionin, które mogą formować wiązania siarczkowe, sprzyja odporności enzymów na wolne rodniki powstałe przez promieniowanie kosmiczne.
Genomy bakterii znalezionych na ISS zawierają geny oporności na antybiotyki i odpowiedzialne za tworzenie biofilmów, a także potencjalne nowe związki przeciwdrobnoustrojowe. To odkrycie może prowadzić do rozwoju nowych leków, które będą miały zastosowanie zarówno w misjach kosmicznych, jak i na Ziemi. Dzięki tym badaniom będzie można nie tylko poprawić zdrowie astronautów w trudnych warunkach kosmicznych, ale także stworzyć innowacyjne terapie dla ludzi, które pomogą w walce z opornymi na leczenie infekcjami i wspomogą rozwój nowych strategii leczenia chorób zakaźnych.
Mikroorganizmy w otaczającym nas świecie
Badania te są rozszerzeniem współprac nawiązanych w ramach międzynarodowego konsorcjum MetaSUB. Konsorcjum w swoich badaniach skupia się na analizie mikrobiomów środowisk zbudowanych, w tym systemów transportu publicznego. Celem MetaSUB jest zrozumienie różnorodności mikrobiologicznej w środowiskach miejskich i jej wpływu na zdrowie człowieka, środowisko i infrastrukturę miejską. Pierwsze wyniki charakteryzujące globalny mikrobiom miejski zostały niedawno opublikowane w czasopiśmie Cell, a badania w Krakowie, w tym akcję global City Sampling Day (gCSD), koordynuje prof. Paweł P. Łabaj. W planach jest zbudowanie Globalnego Systemu Wczesnego Ostrzegania przez szczepami lekoopornymi i innymi patogenami. I dzięki badaniom nad szczepami odkrytymi na ISS naukowcy będą w stanie lepiej zrozumieć mechanizmy ewolucji szczepów opornych, co pomoże w zbudowaniu modelu predykcyjnego.
Takie nowe odkrycia m.in. w genomice kosmicznej są możliwe dzięki zaawansowanym narzędziom do adnotacji funkcjonalnych, opartym na głębokim uczeniu maszynowym, takim jak DeepFRI rozwijanym przez grupę dr. Tomasza Kościółka (Sano). DeepFRI, w odróżnieniu od tradycyjnych narzędzi, takich jak PGAP czy eggNOG, pozwala na precyzyjne określenie funkcji genów, które wcześniej były klasyfikowane jako „hipotetyczne”. Tylko dzięki DeepFRI i zaktualizowanym bazom danych, takim jak AlphaFold, krakowskim naukowcom udało się odkryć nowe geny i białka, związane z błoną komórkową bakterii, przystosowanych do ekstremalnych warunków kosmicznych.
Kosmiczne symulacje w sercu polskiej uczelni
Nowe odkrycia związane z adaptacją bakterii do ekstremalnych warunków kosmicznych mogą znacząco wpłynąć na przyszłe badania w nowo powstającym laboratorium w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Będzie to nowoczesny habitat, który umożliwi przeprowadzanie symulacji misji kosmicznych. Zaplanowano również część laboratoryjną przeznaczoną do prowadzenia badań z zakresu astrobiologii. To wyspecjalizowane laboratorium w Centrum Technologii Kosmicznych AGH będzie pierwszym w Polsce miejscem, gdzie studenci będą testować rozwiązania w warunkach przypominających misje na Księżyc i Marsa.
Inwestycja ta współgra z obserwowanym dynamiczny rozwojem firm z sektora kosmicznego w całej Polsce. Nowych pomysłów dostarczają też m.in. absolwenci z AGH, działający w studenckim kole naukowym AGH Space Systems, którzy założyli firmę Liftero ściśle współpracującą z takim gigantem, jak SpaceX, a zajmującą się opracowywaniem systemów kosmicznej infrastruktury transportowej. Z kolei, założona niedawno przez dr. Łukasza Szydłowskiego, polska firma AstroFarms rozwija technologie uprawy roślin w symulowanych warunkach pozaziemskich. Ponadto AstroFarms chce dobrać takie mikroorganizmy, które umożliwią bioprodukcję wielu ważnych substancji: farmaceutyków, polimerów, biopaliw itp. Pozwoli to, między innymi, na uniezależnienie przyszłych kolonizatorów kosmosu od zasobów ziemskich, skrócenie łańcucha dostaw i rozszerzenie badań na kolejne ciała niebieskie.
Nowe perspektywy rozwoju są możliwe m.in. dzięki zwiększeniu zaangażowania przez Polską Agencję Kosmiczną (POLSA) w ramach Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA). Dzięki temu polskie grupy badawcze mogą brać udział w projektach ESA, takich jak np. misja Heracles (założenie stałej bazy na Księżycu w ramach projektu Gateway). W przyszłym roku zaś pierwszy polski astronauta, dr. Sławosz Uznański, poleci na ISS.
Mariusz Kopiejka, źródło: UJ
Coś o tym wiem, od 40 lat pracuję w Polskiej Akademii Nauk. Takiego głodzenia to by nie przetrwały ani szczury ani niesporczaki.