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Batteri mortali dallo spazio esterno
È noto che il volo spaziale ha effetti profondi sulla fisiologia umana, indebolendo le ossa e i muscoli degli astronauti e compromettendo il loro sistema immunitario. Un nuovo studio mostra che i suoi effetti sui microrganismi possono essere altrettanto drammatici: Salmonella cresciuto a bordo della navetta spaziale era molte volte più mortale delle sue controparti terrestri. Lo studio suggerisce che la NASA e altre agenzie spaziali potrebbero aver bisogno di preoccuparsi che le lunghe missioni con equipaggio aumentino la virulenza dei microrganismi che gli astronauti inevitabilmente portano con sé. Ha anche fornito ai microbiologi approfondimenti su Salmonella che potrebbe portare a nuove terapie per le infezioni sulla Terra.
È venuto dallo spazio: Salmonella typhimurium (in alto) cresciuto a bordo della navetta spaziale ha mostrato cambiamenti globali nell'espressione genica e nella produzione di proteine ed è stato molto più letale di ceppi identici coltivati sulla Terra.
L'astronauta Heide Stefanyshyn-Piper (in basso), con in mano uno dei dodici contenitori di Salmonella a bordo della navetta spaziale Atlantis nel 2006. Ruotando la manovella nella mano destra, Stefanyshyn-Piper ha immerso scomparti pieni di batteri inattivi in scomparti pieni di terreno di coltura.
Ricercatori guidati da Cheryl Nickerson , professore associato presso l'Arizona State University Biodesign Institute, ha scoperto che Salmonella cresciuto durante la missione spaziale STS-115 nel 2006 ha subito importanti cambiamenti nell'espressione di 167 geni. Quando somministrato a topi sulla Terra, il batterio si è rivelato molte volte più mortale di un ceppo equivalente cresciuto a terra.
L'esperimento è stato il primo a studiare i cambiamenti nell'espressione genica di un microrganismo nello spazio. Gli scienziati dell'Arizona hanno fornito prove che un particolare Salmonella gene regola la maggior parte dei cambiamenti molecolari che i batteri hanno subito. Questo regolatore globale, che sembra aiutare i batteri a rispondere allo stress diventando più virulento, è un potenziale bersaglio terapeutico per il futuro Salmonella trattamenti.
Le implicazioni per il volo spaziale umano non sono così chiare. Non sembra qualcosa di cui la NASA dovrebbe preoccuparsi, almeno non a breve termine, dice David Robertson , direttore del Centro di fisiologia e medicina spaziale alla Vanderbilt University. Ma è impossibile sterilizzare completamente i veicoli spaziali, soprattutto perché gli esseri umani portano con sé così tanti batteri: le cellule batteriche nel nostro corpo sono molto più numerose delle nostre. Più lunghi sono i viaggi, più dobbiamo preoccuparci, dice Robertson. Una missione con equipaggio su Marte, proposta dal presidente Bush, richiederebbe circa tre anni.
Il Salmonella sono stati trasportati a bordo della navetta spaziale Atlantide in una sorta di animazione sospesa, sigillata all'interno di provette compartimentate. Uno degli astronauti ha attivato le colture di batteri spingendo uno stantuffo in una camera che mescolava il Salmonella con un mezzo di crescita. Dopo 24 ore, lo stantuffo è stato spinto in un'altra camera. La metà dei batteri è stata poi mischiata con più terreno di coltura per mantenerli in vita fino al loro ritorno sulla Terra; l'altra metà è stata miscelata con un fissativo chimico che ne ha fermato la crescita e li ha preservati in modo che la loro espressione genica potesse essere studiata dopo l'atterraggio dello shuttle.
I ricercatori sul campo hanno eseguito lo stesso esperimento sullo stesso ceppo di Salmonella , cresciuto in un ambiente che imitava la temperatura, l'umidità e altre condizioni a bordo della navetta spaziale, ma aveva la gravità terrestre. Rispetto a questi batteri, quelli cresciuti nello spazio hanno mostrato importanti cambiamenti nell'attività di 167 geni e nella produzione di 73 proteine. Concentrazioni più basse dei batteri spaziali hanno causato infezioni letali nei topi e i batteri spaziali hanno ucciso più topi prima di quelli cresciuti sulla Terra.
Nickerson afferma che questi cambiamenti potrebbero essere dovuti a stress meccanici che la microgravità impone alle cellule batteriche. In condizioni di microgravità, le cellule in una provetta o nei nostri corpi sono in uno stato di galleggiamento, galleggianti sospese, dice. Questo cambia il flusso dei fluidi sulle superfici delle cellule, e quindi il comportamento delle cellule.
Sembra controintuitivo che i ricercatori possano apprendere come si comportano i batteri nei nostri corpi sulla Terra mettendoli in un ambiente artificiale come una provetta su un'astronave, afferma Jeanne Becker , direttore associato del Istituto Nazionale di Ricerca Biomedica Spaziale , a Houston. Guardandolo dal punto di vista dei batteri, dice, vogliono essere in grado di sopravvivere in un ambiente stressante, che si tratti della microgravità, di un attacco del sistema immunitario o della presenza di un antibiotico. Il modo in cui i batteri rispondono a un ambiente stressante, ad esempio producendo più o meno una particolare proteina, può indirizzare i ricercatori verso percorsi biochimici che potrebbero essere presi di mira da nuove terapie.
Il volo spaziale altera anche l'attività genetica delle cellule umane. Ci siamo evoluti in un ambiente a gravità unica, afferma Becker. Ci sono cambiamenti fondamentali quando togli la gravità. Uno studio ha mostrato che il volo spaziale ha causato cambiamenti nell'espressione di oltre 1.600 geni nelle cellule renali umane coltivate in coltura. Becker afferma che sono in arrivo molti altri studi sugli effetti molecolari delle condizioni spaziali sulle cellule, poiché i ricercatori traggono vantaggio dalla Stazione Spaziale Internazionale.
Il gruppo di Nickerson pubblicherà presto articoli sugli effetti del volo spaziale su un ceppo di lievito e su Pseudomonas aeruginosa , il batterio che ha causato l'unica grave infezione di un astronauta fino ad oggi, nel 1970. Per fare un rientro riuscito nell'atmosfera dopo un'esplosione a bordo, il Apollo 13 gli astronauti si sono ritirati dalla parte principale della loro nave nel loro modulo lunare, dove hanno dovuto affrontare una carenza di ossigeno, energia e acqua. In queste condizioni estreme, l'astronauta Fred Haise ha sviluppato un'infezione alla prostata aggressiva causata da Pseudomonas ed è stato gravemente malato per alcune settimane dopo essere tornato a casa.
La maggior parte delle infezioni degli astronauti nello spazio sono state lievi - il caso di Haise è l'eccezione - e nessuna è stata causata da Salmonella . Nickerson dice che ha scelto di studiare Salmonella perché esperimenti precedenti che simulavano la microgravità e altre condizioni spaziali suggerivano che la virulenza del batterio potesse aumentare nello spazio. Mentre Salmonella non è mai stata isolata dai veicoli spaziali, è una ragione importante per cui il cibo destinato alla Stazione Spaziale Internazionale viene squalificato, dice.
Il fatto che almeno un brutto insetto diventi dimostrabilmente più virulento nei voli spaziali introduce un rischio che prima poteva essere sottovalutato, afferma Kim Prisk , professore di medicina presso il Laboratorio NASA presso l'Università della California, San Diego. Viene da chiedersi quanto aggressivo dovrebbe essere il trattamento medico di un soggetto infetto nello spazio.
Più importante, affermano Prisk e Becker, è l'identificazione da parte dei ricercatori dell'Arizona del regolatore globale della virulenza che potrebbe portare a trattamenti per Salmonella infezioni. È un buon esempio di come la ricerca orientata al volo spaziale può portare a risultati potenzialmente importanti e benefici qui sul campo, afferma Prisk.