W rezultacie powstała przełomowa praca naukowa opublikowana niedawno w prestiżowym czasopiśmie "Microbiome". Autorzy publikacji przebadali mechanizmy adaptacyjne bakterii pobranych z ISS. Odkrycia wskazują, że mikroorganizmy wyizolowane z wnętrza ISS przystosowały się do życia w przestrzeni kosmicznej.

Kosmiczne wyzwania

Na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej mikroorganizmy są poddawane ciągłemu sprawdzianowi przetrwania w ekstremalnych warunkach. Z minimalnym dostępem do wody i składników odżywczych oraz w hermetycznych, ograniczonych przestrzeniach muszą przystosować się do życia w nowym, wymagającym środowisku. Podobnie mikrograwitacja i stres hipotoniczny wobec zmniejszonego stężenia soli w otoczeniu, a także intensywne promieniowanie kosmiczne, zmuszają bakterie do opracowania innowacyjnych strategii przetrwania.

Kluczowe adaptacje

Opublikowane w artykule badania ujawniły, że bakterie wyizolowane z ISS przeszły znaczące zmiany fizjologii komórkowej i metabolizmu poprzez nowatorskie strategie przetrwania.

Wszystkie pięć bakterii wyizolowanych z ISS posiadają informacje zakodowane w DNA niewystępujące u ich ziemskich krewnych. Należą do nich geny związane z syntezą peptydów, transportem przez błony komórkowe oraz kanałami mechanosensorycznymi. Te ostatnie zapewniają ochronę przed rozerwaniem komórek w przypadku stresu hipotonicznego. W genomach dwóch blisko spokrewnionych gatunków z rodzaju Microbacteriumodkryto unikalne białka powierzchniowe z rodziny oksydoreduktaz, nieobecne u gatunków spokrewnionych na Ziemi. Nowoodkryte geny i białka mogą być kluczowe dla przetrwania bakterii w przestrzeni kosmicznej, podkreślając ich unikalne adaptacje do skrajnych warunków.

W kosmicznych szczepach bakterii zauważono też wzrost liczby metaloproteinaz, w tym metalopeptydaz. Białka te zarządzają stresem oksydacyjnym, a więc neutralizują wolne rodniki, które uszkadzają struktury komórkowe bakterii, chroniąc przed szkodliwymi skutkami promieniowania. Mutacje w genach tychże metalopeptydaz również odzwierciedlają adaptację do ekstremalnych warunków, o czym świadczy zwiększona w składzie tych białek ilość aminokwasów argininy i metioniny. Arginina zapewnia większą stabilność strukturalną enzymów, a zwiększona obecność metionin, które mogą formować wiązania siarczkowe, sprzyja odporności enzymów na wolne rodniki powstałe przez promieniowanie kosmiczne.

Obiecujące kierunki w rozwoju nowych antybiotyków

Genomy bakterii znalezionych na ISS zawierają geny oporności na antybiotyki i odpowiedzialne za tworzenie biofilmów, a także potencjalne nowe związki przeciwdrobnoustrojowe. To odkrycie może prowadzić do rozwoju nowych leków, które będą miały zastosowanie zarówno w misjach kosmicznych, jak i na Ziemi. Dzięki tym badaniom możemy nie tylko poprawić zdrowie astronautów w trudnych warunkach kosmicznych, ale także stworzyć innowacyjne terapie dla ludzi, które pomogą w walce z opornymi na leczenie infekcjami i wspomogą rozwój nowych strategii leczenia chorób zakaźnych.

Mikroorganizmy w otaczającym nas świecie

Badania te są rozszerzeniem współprac nawiązanych w ramach międzynarodowego konsorcjum MetaSUB. Konsorcjum w swoich badaniach skupia się na analizie mikrobiomów środowisk zbudowanych, w tym systemów transportu publicznego. Celem MetaSUB jest zrozumienie różnorodności mikrobiologicznej w środowiskach miejskich i jej wpływu na zdrowie człowieka, środowisko i infrastrukturę miejską. Pierwsze wyniki charakteryzujące globalny mikrobiom miejski zostały niedawno opublikowane w czasopiśmie "Cell" , a badania w Krakowie, w tym akcję global City Sampling Day (gCSD), koordynuje prof. Łabaj (MCB UJ). W planach jest zbudowanie Globalnego Systemu Wczesnego Ostrzegania przez szczepami lekoopornymi i innymi patogenami. I dzięki badaniom nad szczepami odkrytymi na ISS jesteśmy w stanie lepiej zrozumieć mechanizmy ewolucji szczepów opornych co pomoże w zbudowaniu modelu predykcyjnego.

Postęp w rozwoju narzędzi analitycznych

Takie nowe odkrycia m.in. w genomice kosmicznej są możliwe dzięki zaawansowanym narzędziom do adnotacji funkcjonalnych, opartym na głębokim uczeniu maszynowym, takim jak DeepFRI rozwijanym przez grupę dr. Kościółka. DeepFRI, w odróżnieniu od tradycyjnych narzędzi, takich jak PGAP czy eggNOG, pozwala na precyzyjne określenie funkcji genów, które wcześniej były klasyfikowane jako "hipotetyczne". Tylko dzięki DeepFRI i zaktualizowanym bazom danych, takim jak AlphaFold, autorom niniejszej publikacji udało się odkryć nowe geny i białka, związane z błoną komórkową bakterii, przystosowanych do ekstremalnych warunków kosmicznych.

Kosmiczne symulacje w sercu polskiej uczelni  

Nowe odkrycia związane z adaptacją bakterii do ekstremalnych warunków kosmicznych mogą znacząco wpłynąć na przyszłe badania w nowopowstającym laboratorium w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Powstaje tam nowoczesny habitat, który umożliwi przeprowadzanie symulacji misji kosmicznych. Będzie tam również część laboratoryjna przeznaczona do prowadzenia badań z zakresu astrobiologii. To wyspecjalizowane laboratorium w Centrum Technologii Kosmicznych AGH będzie pierwszym w Polsce miejscem, gdzie studenci będą testować rozwiązania w warunkach przypominających misje na Księżyc i Marsa.

Polskie firmy sięgają gwiazd

Inwestycja ta współgra z obserwowanym dynamiczny rozwojem firm z sektora kosmicznego w całej Polsce. Nowych pomysłów dostarczają też mi.in. absolwenci z AGH, działający w studenckim kole naukowym AGH Space Systems, którzy założyli firmę Liftero ściśle współpracującą z takim gigantem jak SpaceX, a zajmującą się opracowywaniem systemów kosmicznej infrastruktury transportowej. Z kolei, założona niedawno przez pierwszego autora omawianej publikacji dr. Łukasza Szydłowskiego, polska firma AstroFarms rozwija technologie uprawy roślin w symulowanych warunkach pozaziemskich. Ponadto, AstroFarms chce dobrać takie mikroorganizmy, które umożliwią bioprodukcję wielu ważnych substancji: farmaceutyków, polimerów, biopaliw itp. Pozwoli to, między innymi, na uniezależnienie przyszłych kolonizatorów kosmosu od zasobów ziemskich, skrócenie łańcucha dostaw i rozszerzenie badań na kolejne ciała niebieskie.

Nowe perspektywy rozwoju są możliwe m.in. dzięki zwiększeniu zaangażowania przez Polską Agencję Kosmiczną (POLSA) w ramach Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA). Dzięki temu możliwy jest udział polskich grup badawczych i firm w projektach ESA, takich jak np. misja Heracles (założenie stałej bazy na Księżycu w ramach projektu Gateway). W przyszłym roku zaś pierwszy polski astronauta, dr. Sławosz Uznański poleci na ISS.

Przedstawione odkrycia i innowacje otwierają nowy rozdział w rozważaniach o przyszłości ludzkości poza Ziemią. Poznanie tajników adaptacji mikroorganizmów jest kluczem do tego, aby ludzie mogli przetrwać na Marsie czy innych planetach. Nasza zdolność do adaptacji i odkrywania sekretów przetrwania w ekstremalnych środowiskach zbliża nas do marzenia o kosmicznych podróżach i osadach na innych planetach, przekształcając science fiction w naukową rzeczywistość.

źródło: uj.edu.pl, autor: Mariusz Kopiejka