Микробы эволюционируют и размножаются в чистых помещениях космических аппаратов

Космические корабли — это дорогие и сложно сконструированные машины, предназначенные для выполнения сложных миссий в суровых космических условиях. Они дороги и требуют много времени для проектирования и строительства. Из-за их уникальности и высокой стоимости, а также необходимости их стерилизации, их собирают в чистых помещениях, которые ограничивают количество пыли и микробов. Новые исследования показывают, что микробы адаптируются к этим чистым помещениям и учатся процветать в них.

Исследование, опубликованное в Microbiome, показывает, что 26 новых видов экстремофилов приспособились к строгим условиям внутри чистых помещений NASA. Чистые помещения предназначены для подавления бактерий с помощью жестко регулируемого воздушного потока, температуры и влажности. Эти недавно описанные организмы имеют генетические черты, связанные с выживанием в экстремальных условиях космоса.

«Целью нашего исследования было понять риск переноса экстремофилов в ходе космических миссий и определить, какие микроорганизмы могут выжить в суровых условиях космоса», - говорит соавтор исследования профессор Александре Росадо.

Наличие микроорганизмов в чистых помещениях не является сюрпризом. Хотя эти помещения спроектированы так, чтобы минимизировать их присутствие, жизнь необычайно устойчива. Микроорганизмы ждут, чтобы наброситься на любое питательное вещество, каким бы скудным оно ни было, и образовать биопленку.

Это исследование основано на чистой комнате миссии NASA Mars Phoenix, которая приземлилась на Марсе в 2008 году. «Во время миссии космического корабля Phoenix были секвенированы геномы 215 бактериальных изолятов, и на основе общих геномных индексов были идентифицированы 53 штамма, принадлежащих 26 новым видам», — объясняют исследователи в своей исследовательской статье.

Более глубокое изучение геномов показало, что многие из новых видов имели гены, которые усиливали устойчивость к дезактивации и радиации. Это потомки исходной популяции из чистой комнаты в Финиксе, которые были сформированы условиями внутри чистой комнаты.

«Созданная человеком олиготрофная среда, например, чистые помещения, является средой обитания уникальных микробных сообществ, сформированных селективными факторами давления, такими как температура, влажность, доступность питательных веществ, чистящие реагенты и радиация», — пишут авторы. «Даже при строгом контроле, таком как регулируемый поток воздуха, управление температурой и тщательная очистка, устойчивые микроорганизмы могут сохраняться в этих средах, представляя потенциальные риски для космических миссий».

Существует риск, что один из наших космических кораблей может заразить другой мир земными микробами, адаптированными к экстремальным условиям. Космические агентства серьезно относятся к этому риску по понятным причинам. Если бы планета вроде Марса была заражена земной жизнью, как бы мы узнали, нашли ли мы марсианскую жизнь? Незагрязнение других миров должно быть основным принципом, направляющим усилия нашего вида по исследованию Солнечной системы и пониманию того, как все произошло.

Существует ненулевой риск того, что даже наши самые большие усилия могут непреднамеренно загрязнить другой мир земной жизнью.

«Целью нашего исследования было понять риск переноса экстремофилов в ходе космических миссий и определить, какие микроорганизмы могут выжить в суровых условиях космоса. Эти усилия имеют решающее значение для мониторинга риска микробного заражения и защиты от непреднамеренной колонизации исследуемых планет», — пояснил профессор Александр Росадо из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы (KAUST). Росадо является ведущим исследователем KAUST в рамках проекта и участником нескольких рабочих групп NASA по планетарной защите и космической микробиологии.

Исследователи обнаружили, что многие из новых микроорганизмов имеют гены, которые делают их более устойчивыми к радиации и дезактивации. Чистые помещения имеют строгие протоколы очистки с использованием токсичных соединений, таких как изопропиловый спирт, который быстро и эффективно действует против многих микроорганизмов.

«Дальнейший анализ этих организмов из миссии космического корабля Phoenix показал, что в среднем они обладали 74 генами, предсказанными для защитных механизмов, в первую очередь связанных с устойчивостью к антибиотикам и токсичным соединениям, а также инвазией и внутриклеточной устойчивостью», — пишут авторы. Другие гены связаны с улучшенным метаболизмом и детоксикацией повреждающих молекул.

Хотя чистые комнаты не используются для стерилизации всего пространства, иногда в них используется УФ-излучение для дезинфекции воздуха. УФ-излучение может повреждать ДНК и РНК бактерий, грибков и вирусов. Некоторые из идентифицированных генов связаны с восстановлением ДНК.

Исследователи обнаружили, что некоторые из новых микроорганизмов имели гены, связанные с выживанием в суровых космических условиях, включая мощное УФ-излучение. «Ключевые гены, потенциально связанные с устойчивостью к радиации, были обнаружены в различных бактериальных изолятах», — пишут авторы в своем исследовании.

Одним из методов, используемых в исследовании, является недавно разработанный вычислительный метод под названием KMAP. Он идентифицирует короткие последовательности в ДНК, называемые k-мерами. Эти интересующие белки (POI) являются фундаментальными единицами в анализе ДНК. Исследователи отмечают, что некоторые из этих POI могут быть полезны, если их использовать в биотехнологиях, таких как консервирование продуктов питания и медицина.

«Примечательно, что было отмечено большее количество белков, связанных с биотехнологией, медициной, фармацевтикой и аналитикой, особенно тех, которые задействованы в синтезе, разработке лекарств, сельском хозяйстве, пищевой промышленности и молекулярной биологии», — пишут авторы в своей статье.

«Эти результаты не только поднимают важные вопросы защиты планеты, но и открывают двери для биотехнологических инноваций», — говорит ведущий автор исследования Джуния Шульц из Отделения биологических и экологических наук и инженерии Научно-технического университета имени короля Абдаллы в Саудовской Аравии. «Космические путешествия дают возможность изучать микроорганизмы, обладающие соответствующими генами устойчивости к стрессу. Гены, идентифицированные в этих недавно открытых видах бактерий, могут быть сконструированы для применения в медицине, консервировании продуктов питания и других отраслях промышленности».

Исследование имеет дополнительное преимущество, которое актуально для астронавтов, находящихся в длительных космических миссиях. Оно может помочь определить типы бактерий, с которыми они, скорее всего, столкнутся. Оно также принесет пользу чистым помещениям в будущем, помогая понять, какие процедуры стерилизации эффективны.

Чистые помещения — это непреднамеренные лаборатории, где ученые могут наблюдать, как микробы развиваются с течением времени.

«Контролируемые условия и строгие процессы дезактивации в чистых помещениях создают уникальные селективные давления, которые способствуют выживанию редких, устойчивых к стрессу микроорганизмов, что приводит к изоляции новых видов со значительным биотехнологическим потенциалом», — заключают авторы. «Выращивание и секвенирование этих микробов раскрывает механизмы выживания, которые метагеномные подходы сами по себе часто упускают из виду, предоставляя критически важные сведения о контроле загрязнения, безопасности космической среды обитания и биотехнологических приложениях».