國際空間站（ISS）是一個封閉的生態系統。和空間站內的生物這包括生活在那裡的微生物。在我們的星球上沒有必要採取同樣的行為方式。
為了更好地理解該方法 微生物 它在空間中的功能可能有所不同。威斯康星大學麥迪遜分校的研究人員在地球上相同的環境中研究噬菌體——感染細菌的病毒，也稱為噬菌體。 國際空間站 在地球上。他們的研究結果最近發表在雜誌上 公共科學圖書館生物學, 這表明微重力可以延緩感染。重塑噬菌體和細菌的進化，甚至揭示可能有助於對抗與地球上疾病相關的細菌的基因組合。
威斯康星大學麥迪遜分校教授 Phil Huss 博士說：“研究太空中的噬菌體細菌系統不僅僅是生物天體生物學的好奇心。而且它也是理解和預測微生物生態系統在航天器中如何表現的實用方法，並為在家中尋找噬菌體治療和微生物組工程的新解決方案。”該研究的主要作者之一告訴 Space.com
細菌基礎知識
細菌或噬菌體也是地球上最豐富的生物有機體。 約10名專家31 或者地球上的十萬億個細菌毫不奇怪，口腔中的細菌（這個名字的意思是“食菌者”）隨處可見，在海洋、土壤甚至我們的身體中創造了微生物生態系統。但噬菌體可能對人類影響最大的一個地方是 可能的治療方法 對抗抗生素耐藥細菌和其他細菌感染。
這些噬菌體作為包裹在蛋白質中的小型“輸送系統”發揮作用。但與美味的披薩外賣員不同的是，一些噬菌體（例如本研究中使用的 T7 噬菌體）通過以下方式感染細菌： 遵循特定的表面特性 噬菌體附著在細胞上，通常是嵌入細菌細胞外膜的分子，並註入其遺傳物質。當你進入細胞內部時，噬菌體會劫持細菌的機器來製造自身的多個副本。最終，它會爆炸細菌細胞並釋放出新一波可以感染附近細菌的噬菌體顆粒。
噬菌體的這種特定攻擊過程開始。 進化軍備競賽 噬菌體和細菌之間這是因為細菌可以通過改變或隱藏來對這些攻擊產生抵抗力。噬菌體“著陸片”存在於細胞表面。
當涉及微重力時，事情只會變得更加複雜。
病毒與細菌的軌道大戰
研究微重力如何影響這一過程。研究人員使用了一種名為 T7 的細菌和細菌誘餌。 大腸桿菌， 或俗稱 大腸桿菌 為了盡可能乾淨地隔離微重力的影響，該團隊準備了兩個相同的細菌樣本管。不搖動並在相同溫度下孵育一小時、兩小時或四小時。並且在超過 23 天的時間內，使用一組管 2020年前往國際空間站經營者： 諾斯羅普·格魯曼公司NG-13 天鵝座航天器 而另一個則在世界的最底層。
“該實驗必須在嚴格的 NASA 限制下進行：密封的冷凍管必須通過生物相容性和洩漏測試。能夠承受多次凍融循環。它在軌道上處理仍然是安全的，”Huss 解釋道。 “樣本量比我們在地面上習慣的要小得多。圍繞這個設計實驗非常具有挑戰性！”
該團隊還改變了噬菌體的起始比例。 大腸桿菌 因此，一些含有更多噬菌體的樣本預計會很快被感染。而其他示例可能需要更長的時間並顯示出更嚴重的變化。
這是因為這兩個實驗無法完美並行運行。研究小組隨後在國際空間站上記錄了準確的孵化時間，然後在地球上進行了匹配。這是許多國際空間站生物實驗的常見解決方案。
低重力會減慢相互作用。
在典型的地球實驗室條件下，噬菌體 T7 可以感染和殺死。 大腸桿菌 不到一個小時內的細胞 考慮 噬菌體生命週期。但在模擬微重力的完全封閉且無閃爍的系統設置中，系統整體移動速度會較慢。
在地球上，對照組在兩到四個小時內細菌感染急劇增加。但在失重狀態下，任何較短的潛伏期都沒有出現增加。表明噬菌體感染過程 已經放慢了速度。然而，較長的培養瓶卻講述了不同的故事。這是因為在軌道上運行 23 天后，感染過程在更短的時間內完成。 大腸桿菌 發現在瓶子裡
為什麼研究人員認為經濟放緩發生了？
“我們假設，由於缺乏重力對流，流體混合在微重力下減少。這降低了噬菌體和細菌之間的相遇率。宿主的微重力壓力可能會改變受體表達或細胞內過程。這會減慢感染的有效性，”Huss 補充道。
換句話說，在失重狀態下，噬菌體和細菌不會經常發生碰撞。細菌可能已經進化得對噬菌體攻擊具有更強的抵抗力，從而使感染變得更加困難。所以整個週期的開始時間比地球晚。
失重突變
23 天后，研究小組分析了噬菌體的基因組成。並在其基因組中發現了突變，但是存在微重力特有的突變。對於與宿主結構和相互作用相關的基因尤其如此。這些突變改變了噬菌體感染細菌的方式。
“對我來說，最引人注目的發現之一不僅僅是噬菌體基因組中出現的突變。還有一種微重力將進化推向了我們尚未完全了解的噬菌體角落，”胡斯說。
從他們的發現來看，微重力可能不僅僅改變了方法。 快速地 感染髮生但也包括病毒基因。 最重要 當談到細菌感染時，
“我們才剛剛開始觸及表面，”威斯康星大學麥迪遜分校的 Sri Watson Raman 博士說。該研究的另一位主要作者告訴 Space.com，“我們只需要在更複雜的條件下做更多的實驗。”
噬菌體並不是唯一發生變化的。因為細菌似乎也在進化。 大腸桿菌 與沒有噬菌體威脅的細菌相比，暴露於噬菌體會積累更多的突變。這與推動進化軍備競賽的選擇壓力是一致的。
一些最顯著的變化影響與外膜相關的基因。這可能會改變噬菌體附著，同時幫助細菌抵禦壓力。
“重力不僅讓事情變得更容易，”他說。只是速度較慢，但它也定性地改變了噬菌體-宿主協同進化的模式，從感染動態到特定基因和關鍵突變，”Huss 說。
微重力是地球醫學的前進方向嗎？
使用一種稱為 深度突變掃描研究小組掃描了噬菌體基因組中 1,600 多種突變模式。他們發現，微重力中的“獲勝”突變與地球上的突變有很大不同。
“我們的結果支持微重力作為 不同的 選擇環境揭示了健身景觀的不同部分，超出了我們在地面上捕捉到的範圍，”胡斯說。
研究人員利用這些突變創造了改變的噬菌體，並進行了測試。 引起泌尿道疾病 大腸桿菌 — 物種 大腸桿菌 與尿路感染有關，對T7噬菌體的攻擊具有更強的抵抗力。研究表明，這些改變的病毒可以殺死耐藥細菌。
“我們在研究中發現，補充微重力的突變噬菌體可以治療並殺死引起尿路感染的細菌。這告訴我們，微重力的某些特性使其與治療地球上的細菌相關，”拉曼說。
這對未來可能的治療產生巨大影響。 細菌性疾病 在這個世界上，從沙門氏菌中毒到肺炎，直到血液中出現敗血症，但要實現這一點所需的額外測試可能很棘手。
“在國際空間站上進行這些實驗絕非易事，”拉曼補充道。 “我的意思是，這需要多年的規劃。並且必須克服許多後勤方面的挑戰。要進行這些實驗，定期完成這些試驗可能是一個挑戰。”
那麼航天的未來是什麼？
當從顯微鏡放大到宏觀層面時，這些結果表明太空中的微生物並不是靜態的。相反，它適應並演變成一種獨特的低重力形式。
“我們的數據清楚地表明，微生物可以在微重力下以意想不到的方式快速適應，”胡斯補充道。這些同樣的壓力可能會改善我們對地球的擔憂。包括耐藥性或嚴重程度的變化。這是一條可能的進化路徑，未來的實驗應該通過跟踪抗生素敏感性來嚴格測試。隨著時間的推移，壓力反應和競爭反應。 ”
這些適應會對執行長期太空任務的人類構成威脅嗎？有可能，但對於拉曼來說，還需要進一步測試才能得出這樣的結論。
“病原體在不斷進化，”拉曼說。 “我認為我們應該做進一步的研究，看看細菌是否能夠進化出突變，從而使它們在微重力下更具致病性。這些並不是我們在這項研究中實際進行的實驗。
“但是細菌非常靈活，它們一直在進化。所以我不會排除這種可能性。但是，我們需要再次進行這些嚴格的實驗來問：細菌在國際空間站的條件下能成為病原體嗎？”
未來的太空研究領域之一可以關注人類微生物組。這是因為尚不完全了解微生物組在太空中如何進化。
對於地球上的人類來說，這項研究的結果更為積極。這是因為微重力可以幫助科學家開發出可以殺死更多耐藥細菌的噬菌體。
“這些基於太空的健身景觀的真正力量在於它們不是孤立的。它們可以與我們已有的豐富地面數據集相結合。改善治療用例的工程策略。這是最直接的前進方向，”胡斯說。
