Стало известно, почему космические фаги эффективнее земных аналогов

Идея освоения космоса редко живёт только на романтике исследований — куда чаще человечество делает большие шаги вперёд, когда за ними стоит практическая выгода. Новое исследование показывает, что такая выгода может скрываться не в добыче ресурсов, а в биологии и медицине. Учёные продемонстрировали, как условия космоса помогают создавать оружие против устойчивых к антибиотикам бактерий. Об этом сообщает журнал PLOS Biology.

Космос как лаборатория эволюции

История человечества показывает, что масштабные экспансии почти всегда опирались на экономический интерес. В случае космоса таким стимулом может стать биотехнология. В лаборатории Сриватсана Рамана в Университете Висконсина в Мэдисоне предложили использовать микрогравитацию как инструмент для направленной эволюции бактериофагов — вирусов, уничтожающих бактерии.

Интерес к тому, как микроорганизмы ведут себя вне Земли, растёт уже не первый год: ранее было показано, что космические условия изменяют структуру и генетику микробных биоплёнок, что напрямую влияет на устойчивость бактерий и их взаимодействие с окружающей средой.

Идея задействовать экстремальные условия орбиты для генетических изменений обсуждается давно, но до недавнего времени оставалась в основном теоретической. Практический эксперимент стартовал в сентябре 2020 года при поддержке компании Rhodium Scientific, специализирующейся на исследованиях на Международной космической станции. Для работы использовались специальные криопробирки, способные выдерживать запуск и сохранять температуру -80 °C.

Соревнование фагов в микрогравитации

До отправки образцов на орбиту исследователи подготовили "библиотеку" из 1660 заранее модифицированных вариантов бактериофагов. Вместо ожидания случайных мутаций они создали условия эволюционного отбора, в котором выживал наиболее приспособленный. Параллельно идентичные эксперименты проводились на Земле, чтобы сравнить влияние обычной гравитации и микрогравитации.

Первые результаты удивили. На орбите фаги уничтожали бактерии значительно медленнее: если на Земле процесс занимал 2-4 часа, то в космосе активность долгое время оставалась низкой. Учёные связывают это с отсутствием конвекции — в микрогравитации частицы движутся в основном за счёт медленной диффузии, что ранее уже отмечалось в экспериментах по космической биологии на орбитальных станциях.

Ответ бактерий и неожиданный результат

Сами бактерии E. coli тоже оказались под сильным стрессом. Вокруг клеток накапливались отходы, а доступ к питательным веществам был ограничен. В ответ бактерии мутировали, в том числе изменив ген mlaA, отвечающий за распределение фосфолипидов в мембране. В результате фосфолипиды начали выходить на поверхность клетки, меняя "мишень" для фагов.

На Земле победившие фаги эволюционировали стандартным путём, усиливая электрическое притяжение к бактериям. В космосе же они пошли другим путём — развили гидрофобные изменения в белках, с помощью которых прикрепляются к клетке. Это позволило им эффективно атаковать бактерии с необычной мембраной.

Самое неожиданное выяснилось после возвращения образцов на Землю. Космические фаги показали высокую эффективность против бактерий, вызывающих инфекции мочевыводящих путей, которые часто устойчивы к антибиотикам. Наземные аналоги такого эффекта не продемонстрировали.

Медицинский и коммерческий потенциал

Исследователи предполагают, что условия внутри человеческого организма при таких инфекциях — дефицит питательных веществ и химический стресс — отчасти напоминают среду микрогравитации. Поэтому бактерии оказываются уязвимыми к тем же стратегиям атаки, которые "придумали" фаги в космосе.

С коммерческой точки зрения это направление выглядит многообещающим. Возможность выращивать в орбитальных биореакторах фаги, способные бороться с супербактериями, потенциально может привести к появлению новой многомиллиардной отрасли. Однако учёные подчёркивают, что до практического внедрения ещё далеко, а для масштабного производства потребуется инфраструктура значительно крупнее МКС.

Этот эксперимент показывает, что космос может быть не только ареной для полётов и спутников, но и средой, где по-новому раскрываются фундаментальные биологические процессы. В долгосрочной перспективе такие исследования способны изменить подход к лечению инфекций и дать ещё один веский аргумент в пользу развития космических программ.