Forscher der University of Wisconsin-Madison führten gemeinsam mit dem Unternehmen Rhodium Scientific ein einzigartiges Experiment durch, um die Wechselwirkung zwischen E. coli-Bakterien und T7-Bakteriophagen unter Mikrogravitationsbedingungen zu untersuchen. Die Wissenschaftler analysierten die genetischen Mutationen der Mikroorganismen, die während ihres 25-tägigen Aufenthalts im Orbit entstanden waren, um neue Wege zur Bekämpfung von Superbakterien zu finden.
Auf dieser Abbildung befindet sich ein Phage – eine Art Virus, das Bakterien befällt – auf der Oberfläche einer Wirtszelle. Forscher der University of Wisconsin-Madison entwickelten ein Experiment für die Internationale Raumstation, um zu untersuchen, wie die Interaktion zwischen Phagen und Bakterien die Gesundheit des Darmmikrobioms beeinflusst. University of Wisconsin-Madison
Bakteriophagen sind natürliche „Killer“, die ausschließlich Bakterien befallen und für den Menschen harmlos sind. Im Gegensatz zu Antibiotika, die wie ein Flächenbombardement wirken und sowohl schädliche als auch nützliche Mikroflora zerstören, wirken Phagen punktgenau. Das Problem ist, dass Bakterien schnell lernen, sich gegen sie zu schützen. Im Weltraum werden die gewohnten Abwehrmechanismen aufgrund der fehlenden Flüssigkeitskonvektion und der Druckveränderungen auf die Zellmembranen außer Kraft gesetzt. Dies zwingt Viren dazu, nach „Ersatzzugängen” in die Zelle zu suchen. Die Entdeckung solcher Wege hilft Wissenschaftlern, die Resistenz von Superbakterien zu umgehen, die zu einer globalen Bedrohung für die Medizin des 21. Jahrhunderts geworden ist.
Der langjährige Kampf zwischen Bakterien und Viren-Phagen, bekannt als evolutionärer Rüstungswettlauf, nimmt unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit einen völlig anderen Charakter an. An Bord der ISS verlaufen biologische Prozesse aufgrund der fehlenden Schwerkraft anders, was Organismen dazu zwingt, sich auf einzigartige Weise an den Stress anzupassen.
Im Laufe des Experiments wurde festgestellt, dass sich die Infektionsrate von Bakterien durch Phagen im Weltraum zunächst verlangsamt, dies jedoch seltene Mutationen begünstigt. Die E. coli-Bakterien auf der Station veränderten die Struktur ihrer Oberflächenproteine und die Gene, die für die Steuerung der Nährstoffe zuständig sind.
Als Reaktion darauf begannen die Viren zu mutieren, um ihre Fähigkeit zu bewahren, sich an ihre Opfer anzuheften. Diese Veränderungen traten in der Kontrollgruppe auf der Erde nicht auf, was Biologen neue Horizonte im Verständnis der Überlebensmechanismen von Mikroben eröffnete. Die Studie wurde in der Zeitschrift PLOS Biology veröffentlicht.
Die Ergebnisse der Genomsequenzierung zeigten, dass die Weltraummutationen den Bakteriophagen die Fähigkeit verliehen, selbst diejenigen Bakterienstämme zu zerstören, die auf der Erde einen starken Schutz entwickelt hatten. Es stellte sich heraus, dass die „orbitalen” Versionen der Viren äußerst wirksam gegen Erreger von Harnwegsinfektionen sind, von denen heute mehr als 90 % mit herkömmlichen Antibiotika nicht behandelt werden können.
Wie der Mitautor der Arbeit, Vatsan Raman, feststellt: „Durch die Untersuchung dieser durch den Weltraum verursachten Anpassungen haben wir neue biologische Daten erhalten, die es uns ermöglicht haben, Phagen mit einer viel höheren Aktivität gegen arzneimittelresistente Krankheitserreger hier auf der Erde zu entwickeln.”
Die spezifische Umgebung der ISS diente als eine Art Evolutionsbeschleuniger, der es den Wissenschaftlern ermöglichte, Lösungen aus der Natur zu beobachten, für die man in irdischen Labors Jahrzehnte gebraucht hätte. Die gewonnenen Daten werden die Grundlage für die Entwicklung einer neuen Generation von Antibiotika auf der Basis modifizierter Viren bilden.
