Жизнь в условиях невесомости меняет способы атаки вирусов на бактерии

Фото из открытых источников

Вирусы, заражающие бактерии, могут продолжать свою работу в условиях почти невесомости на Международной космической станции (МКС). Однако темпы распространения инфекции меняются, и как вирус, так и бактерия начинают эволюционировать по иным путям, чем это происходит на Земле. Результаты исследования опубликованы в журнале PLOS Biology. 

Группа исследователей под руководством Фила Хасса из Университета Висконсина в Мэдисоне отслеживала, что происходит, когда бактериофаг Т7 (классический вирус, используемый в лабораториях) встречается со своим обычным хозяином, кишечной палочкой (E. coli), в условиях микрогравитации. 

Эксперты сравнили парные образцы, инкубированные на орбите и на Земле, а затем изучили, как развивалась инфекция и какие генетические изменения накапливались с течением времени.

На Земле фаг «побеждает», столкнувшись с нужной бактерией, прикрепившись к ней, внедрив свой генетический материал и заставив клетку производить новые вирусные частицы. 

Время этой встречи зависит как от физических, так и от биологических факторов. Перемешивание, конвекционные потоки, седиментация и постоянное перераспределение питательных веществ и продуктов жизнедеятельности — всё это увеличивает вероятность столкновения вирусов и бактерий.

В условиях микрогравитации это фоновое движение меняется. Поскольку конвекция, обусловленная плавучестью, в значительной степени исчезает, циркуляция жидкостей происходит не так, как прежде.

Микроорганизмы сталкиваются с совершенно иной средой для переноса, распространения и локального накопления побочных продуктов. 

В то же время бактерии могут изменять свою физиологию в условиях космического полета , в том числе и те типы молекул внешней мембраны, которые фаги используют в качестве «рукояток» для прикрепления.

Таким образом, главный вопрос заключается не просто в том, «может ли произойти заражение?», а в том, будет ли коэволюционная борьба между бактериями и фагами протекать иначе, когда физический мир становится непривычным.

Чтобы максимально точно изолировать эффект микрогравитации, исследователи подготовили два идентичных набора герметично упакованных образцов в криопробирках. Один набор отправился на МКС, а другой остался на Земле в качестве контрольного. 

Для исключения перемешивания, обусловленного движением бактерий, команда использовала неподвижный штамм кишечной палочки (BL21) и инкубировала все образцы при температуре 37°C без перемешивания.

Затем эксперты проверили, что происходило в короткие промежутки времени (1, 2 и 4 часа) и в более длительный период времени (23 дня).

Короткие временные промежутки были предназначены для того, чтобы зафиксировать динамику развития инфекции на ранних стадиях. Длительный период давал обоим организмам время для размножения и адаптации, если это было возможно.

В типичных лабораторных условиях штамм Т7 способен быстро инфицировать и разрушать кишечную палочку. В этом эксперименте даже образцы, взятые с Земли, показали заметное замедление процесса, при этом инфицирование фактически происходило в течение 2-4 часов.

В условиях микрогравитации замедление было гораздо сильнее. В первые несколько часов фаг не проявлял столь явных признаков репликации.

Но главное в том, что это не был тупик. К 23-му дню выращенный в космосе фаг явно смог размножиться и сохраниться, а это значит, что продуктивное заражение все еще происходило – только в значительно увеличенные сроки.

Этот «поздний старт» имеет значение, потому что время играет важную роль в выживании. Задержка изменяет количество доступных бактериальных клеток, степень их стресса и то, какие защитные механизмы они могут активировать до того, как вирус начнет активно распространяться.

После того как команда подтвердила долгосрочные последствия инфекции, они перешли к генетическим исследованиям.

Полногеномное секвенирование показало, что обе стороны – вирус и бактерия – накапливали новые мутации, но закономерности их возникновения различались между космосом и Землей.

Со стороны фагов мутации были распространены по всему геному, в том числе в белках, связанных с инфекционностью и взаимодействием с хозяином. 

В условиях микрогравитации некоторые гены фагов выделялись на фоне других, демонстрируя повышенную активность и способностям к изменениям, что позволяет предположить, что вирус был вынужден использовать иной набор «оптимальных стратегий», чем тот, который он обычно применяет на Земле.

В бактериальной среде мутации особенно часто встречались в генах, связанных с внешней мембраной и реакциями на стресс.

Это именно те системы, которые могут помочь бактерии справиться с микрогравитацией и затруднить прикрепление к ней фага. 

Результаты секвенирования также показали, что давление фагов само по себе являлось важным фактором. Бактерии, подвергшиеся воздействию фагов, накапливали больше заметных мутаций, чем бактерии, инкубированные без фагов.

Иными словами, «гонка вооружений» не остановилась в космосе. Она просто пошла по другому пути.

Затем команда сосредоточила внимание на одном важнейшем инструменте: белке, связывающем рецептор Т7, — той части фага, которая распознает поверхность бактерии и помогает инициировать необратимое прикрепление. 

Они использовали метод глубокого мутационного сканирования — по сути, создание обширной библиотеки вариантов отдельных аминокислот в ключевом участке этого белка — для определения того, какие изменения помогали или вредили фагу в каждом конкретном случае.

Результатом стала не просто небольшая корректировка. «Ландшафт приспособленности» мутаций в условиях микрогравитации выглядел существенно иначе, чем на Земле.

Результаты показывают, что окружающая среда хозяина изменилась настолько, что изменились условия, за которые фаг получал вознаграждение, мутация за мутацией.

Вот неожиданный поворот, который делает эту историю масштабнее, чем просто космическая биология. Исследователи использовали данные, полученные в условиях микрогравитации, для создания комбинаторных вариантов фагов.

Варианты были протестированы на двух клинически выделенных уропатогенных штаммах E. coli (UTI1 и UTI2), связанных с инфекциями мочевыводящих путей. 

Это штаммы, устойчивые к дикому типу Т7 в обычных земных условиях. Варианты, адаптированные к условиям микрогравитации, показали улучшенную активность, в то время как аналогичная библиотека, адаптированная к условиям Земли, не продемонстрировала такого же повышения активности.

Это не значит, что космос — это волшебная фабрика фагов. Но это говорит о том, что микрогравитация может выявлять эволюционные пути — и полезные молекулярные модификации — которые сложнее обнаружить в стандартных лабораторных условиях.

Для длительных космических полетов главный урок носит практический характер. Микробные экосистемы на орбите могут вести себя, в общих чертах, хорошо знакомы (инфекция по-прежнему происходит), но в деталях – нет (время, факторы отбора и пути адаптации). 

В контексте медицины на Земле этот урок носит более оппортунистический характер. Экстремальные условия могут выступать в роли двигателей открытий, выявляя новые принципы проектирования фагов, которые лучше борются с трудноизлечимыми бактериями.

«Космос коренным образом меняет взаимодействие фагов и бактерий: заражение замедляется, и оба организма развиваются по иной траектории, чем на Земле», — отметили исследователи.

«Изучая эти адаптации, обусловленные условиями космического пространства, мы получили новые биологические данные, которые позволили нам создать фаги с гораздо более высокой активностью против устойчивых к лекарствам патогенов на Земле».