Die Labore der Internationalen Raumstation (ISS) bieten ein einzigartiges Beobachtungsfeld für die Evolution von Mikroben. Eine kürzliche Studie zeigt, dass sich Viren und Bakterien dort nach völlig neuen Gesetzmäßigkeiten anpassen. Die Schwerelosigkeit verändert die grundlegenden Regeln, die biologische Interaktionen bestimmen.
Forscher verglichen das Verhalten eines Bakterien befallenden Virus, des Bakteriophagen T7, und seines Wirts, des Bakteriums Escherichia coli, auf der ISS und auf der Erde. Die in
PLOS Biology veröffentlichten Ergebnisse zeigen, dass die Mikrogravitation die Infektion nicht nur verlangsamt. Sie lenkt die Evolution beider Organismen auf unterschiedliche Bahnen, mit spezifischen genetischen Mutationen. Diese Entdeckung könnte es ermöglichen, neue Behandlungen gegen Antibiotika-resistente Infektionen zu entwickeln.
Illustrationsbild Pixabay Eine anfängliche Verlangsamung gefolgt von schneller Anpassung
Unter irdischen Bedingungen infiziert und zerstört der Phage T7 das Bakterium E. coli in weniger als einer Stunde. An Bord der ISS ist dieser Prozess erheblich verzögert und braucht mehrere Stunden, sogar Tage, um in Gang zu kommen. Die Wissenschaftler führen diese Verzögerung hauptsächlich auf die Schwerelosigkeit zurück, die zufällige Begegnungen zwischen Viruspartikeln und Bakterienzellen einschränkt. Flüssigkeiten vermischen sich in der Mikrogravitation nicht auf dieselbe Weise, was die für eine Infektion notwendigen Kontakte reduziert.
Diese Verlangsamung verhindert jedoch nicht, dass die Infektion stattfindet. Nach einer 23-tägigen Inkubationszeit im Orbit konnte sich der Phage erfolgreich vermehren und in der bakteriellen Umgebung bestehen. Diese anfängliche Anpassungsphase hat tiefgreifende Folgen, da sie den Kontext verändert, in dem die Evolution wirkt. Die durch die Weltraumbedingungen gestressten Bakterien haben Zeit, Abwehrmechanismen zu aktivieren, bevor der Virusangriff massiv wird.
Die Genomanalyse ergab, dass die Bakterien, die in der Mikrogravitation Phagen ausgesetzt waren, unterschiedliche Mutationen angesammelt haben, insbesondere in Genen, die mit ihrer äußeren Membran und der Stressantwort verbunden sind. Diese Anpassungen scheinen ihnen zu helfen, in der Raumfahrtumgebung zu überleben, und schützen sie auch vor der Virusinfektion.
Virusmutationen mit vielversprechenden terrestrischen Anwendungen
Aufseiten der Bakteriophagen folgte die Evolution in der Mikrogravitation einem einzigartigen Weg. Die Viren entwickelten Mutationen in unerwarteten Genen. Eine fortschrittliche Technik, die tiefgreifende Mutationsanalyse, ermöglichte es, die Auswirkungen Tausender Varianten auf die Infektionsfähigkeit zu kartieren.
Das bemerkenswerteste Ergebnis ist die praktische Anwendung dieser Entdeckungen. Die Forscher synthetisierten Phagenvarianten, die durch die in der Mikrogravitation aufgetretenen Mutationen angereichert waren, und testeten sie an klinischen Stämmen uropathogener E. coli, die Harnwegsinfektionen verursachen und gegen den Standard-Phagen T7 resistent sind. Wider Erwarten erwiesen sich diese "Weltraum"-Phagen als deutlich wirksamer bei der Eliminierung der resistenten Bakterien als ihre terrestrischen Gegenstücke.
Diese Entdeckung eröffnet einen originellen Weg für die Phagentherapie, einen Ansatz, der Viren zur Bekämpfung bakterieller Infektionen nutzt. Sie zeigt, dass extreme physikalische Umgebungen wie die Mikrogravitation als Entdeckungsplattformen dienen können, um biologische Lösungen sichtbar zu machen, die unter Standardbedingungen unsichtbar bleiben. Der Weltraum wird so zu einem Labor, um das evolutionäre Potenzial von Mikroben zu erforschen.
Artikelautor: Cédric DEPOND
Quelle: PLOS Biology