Het leven heeft manieren gevonden om te overwinnen, en zelfs gedijen, in veel extreme situaties - van superzoute zwembaden tot de hoge temperaturen van hydrothermale bronnen. Een nieuw experiment heeft aangetoond dat de microzwaartekracht die in de ruimte wordt aangetroffen, ook een omgeving is waarin het leven zich kan aanpassen.

Onderzoekers van de Universiteit van Houston gebruikten twee bijna identieke stammen van niet-pathogene E. coli, een veel voorkomende bacterie die wordt aangetroffen in de ingewanden van dieren, en stel ze op de proef. één stam, NCM520, werd gekweekt in een kolf onder normale omstandigheden van de zwaartekracht, terwijl de andere, MG1655, werd in een speciale kamer geplaatst in bruikleen van het Johnson Space Center die microzwaartekracht simuleert. Klein genoeg om in de handpalmen te passen, het vaartuig met hoge beeldverhouding (HARV) draait langzaam (ongeveer 25 tpm) op zijn kant, zodat de microben die in de vloeibare media binnenin groeien in vrije val zijn.

Na duizend generaties in de HARV te hebben gekweekt - veel langer dan alle eerdere experimenten met bacteriën - was de MG1655-stam de door zwaartekracht gecontroleerde stam ontgroeid, NCM520, met een factor drie tegen één. De onderzoekers concludeerden dat de stress van het zijn in een microzwaartekrachtomgeving een aanpassing had veroorzaakt die het concurrentievermogen van de MG1655-stam verhoogde.

"Het uitvoeren van deze studies op aarde door het simuleren van microzwaartekracht is uiterst belangrijk als we een uitgebreider beeld willen krijgen van de microbiële overleving in de ruimte, "zegt Madhan Tirumalai, de hoofdonderzoeker en een microbioloog aan de Universiteit van Houston.

Tirumalai's team wilde weten of deze aanpassing op genetisch niveau plaatsvond, of dat het een fysiologische reactie was op de verandering in zwaartekracht. Als analogie, als een persoon van een koude locatie naar de evenaar gaat, hoe past hij of zij zich aan aan de verandering in temperatuur, en zou de terugkeer naar huis die aanpassingen uitwissen? Wissen zou betekenen dat de aanpassingen fysiologisch zijn, niet genetisch.

De onderzoekers ontdekten dat 72 procent van het adaptieve voordeel van de MG1655-stam behouden bleef na de terugkeer naar de normale zwaartekracht en de daaropvolgende groei voor nog eens 10 of 20 generaties. De onderzoekers concludeerden dat hoewel sommige veranderingen fysiologisch waren, degenen die overbleven toen ze terugkeerden naar de aarde, vonden plaats op genetisch niveau en gaven de aan microzwaartekracht aangepaste soort een voordeel ten opzichte van de niet-aangepaste soort. Nader onderzoek toonde aan dat 16 genen waren gemuteerd in MG1655, waaronder vijf genen die verband houden met de vorming van biofilm - de surA, fimH, trkH, fhuA- en ygfK-genen.

Biofilms zijn dunne verzamelingen cellen die aan elkaar zijn gekoppeld om een ​​betere verdeling van hulpbronnen en hechting aan oppervlakken mogelijk te maken. Een verhoogde snelheid van biofilmvorming is gunstig voor de overleving van bacteriën en deze aanpassing aan microzwaartekracht zou het vermogen van bacteriën om oppervlakken in ruimteomgevingen te koloniseren schijnbaar verbeteren. Hoewel het onderzoek van Tirumalai implicaties heeft voor het vermogen van bacteriën om het internationale ruimtestation te koloniseren, andere onderzoekers zouden zich nu kunnen afvragen of soortgelijke adaptatiestudies kunnen helpen bij het onderzoeken van de mogelijkheid dat bacteriën buitenaardse omgevingen kunnen overleven, zoals asteroïden, kometen of kleine manen.

"Zet een microbieel organisme onder alle stressomstandigheden of in een nieuw soort omgeving en na verloop van tijd zal het mutaties gaan ondergaan in een richting die het zal helpen een soort groeivoordeel te behalen om te overleven, ' zegt Tirumalai.

De bevindingen vertegenwoordigen een vorm van "experimentele evolutie, " waarin de evolutie van een bacteriestam wordt gemanipuleerd door de experimentele omgevingen en spanningen waarin de bacterie wordt geplaatst, zegt microbioloog Robert McLean, een bioloog aan de Texas State University die niet betrokken was bij het onderzoek van Tirumalai.

"Van mijn perspectief, de betekenis van deze bevindingen is dat er enkele voorheen onbekende mutaties zijn opgetreden in de stam van E. coli die is blootgesteld aan microzwaartekracht, ", zegt McLean. "Deze vertegenwoordigen veranderingen op de lange termijn, waarop experimentele evolutie kan testen."

Gezondheids risico's

Er is ook een mogelijk verband tussen de groei van biofilms en de virulentie van de bacteriën. Hoewel de stammen van E. coli die in het experiment werden gebruikt niet pathogeen waren, de set genen die verantwoordelijk is voor biofilmvorming in pathogene stammen zijn nauw verbonden met de genen die betrokken zijn bij pathogeniteit. Veranderingen in de ene set genen zouden veranderingen in de andere set veroorzaken.

"Er is een kans dat de virulente genen mutaties en selectie ondergaan om stammen virulenter te maken, ' zegt Tirumalai.

Verder bewijs hiervan is het geval van de pathogene stam Salmonella enterica serovar Typhimurium. Eerdere experimenten onder leiding van de geneticus James Wilson van Villanova University toonden aan dat deze salmonellastam virulenter werd na blootstelling aan microzwaartekracht.

"Biofilmvorming is niet alleen van cruciaal belang voor bacteriële kolonisatie, maar is ook gekoppeld aan bacteriële virulentie, ' zegt Tirumalai.

Afgezien van de astrobiologische implicaties, de bevindingen kunnen ook problemen aan het licht brengen voor astronauten op het internationale ruimtestation of diepe ruimtereizen. Biofilms kunnen waterrecyclingsystemen verontreinigen, terwijl verhoogde virulentie een gezondheidsrisico kan vormen voor astronauten. Echter, het moet nog worden bevestigd of bacteriën zoals E. coli of Salmonella dat doen, inderdaad, zich op deze manier gedragen in een echte ruimteomgeving, of dat microzwaartekracht op deze manier andere bacteriën beïnvloedt.

"Andere bacteriën en organismen kunnen iets heel anders doen, ’ waarschuwt McLean.

Overleven in de ruimte

Ervan uitgaande dat andere bacteriën zich gedragen als E. coli in microzwaartekracht, dit kan mogelijk belangrijke gevolgen hebben voor de astrobiologie. De panspermia-theorie suggereert dat biologisch materiaal kan worden overgedragen tussen planetaire lichamen via asteroïden en ruimtepuin, maar zouden microben nodig hebben om gedurende lange perioden in de ruimte te gedijen. Het is mogelijk dat het leven de aarde had kunnen verwisselen voor Mars en vice versa na enorme inslagen die rotsachtig puin vol microben de ruimte in stuurden. McLean suggereert dat als het leven zo'n reis wil overleven, het moet eerst de hitte en energie weerstaan ​​van de eerste impact die het de ruimte in schoot, dan de extreme omstandigheden van de interplanetaire ruimte, en ten slotte de hitte en energie van het binnendringen van de atmosfeer en het inslaan van de grond op een nieuwe planeet.

McLean wijst erop dat zijn onderzoek aantoont dat bacteriën de terugkeer en impact kunnen overleven. Zijn groep voerde een microbieel experiment uit om te testen of biofilms zich in de ruimte konden vormen aan boord van de laatste vlucht van de spaceshuttle Columbia in 2003 en ontdekte dat, wonderbaarlijk, de bacteriën overleefden de vernietiging van de spaceshuttle. Het is momenteel niet bekend, echter, of verhoogde biofilmvorming in de ruimte de kans zou vergroten dat microben de ruimteomstandigheden zouden kunnen overleven.

"Ik weet niet of biofilmgroei een verschil zou maken of niet, " zegt McLean, "maar het zou interessant zijn om te testen."

Verdere experimenten kunnen plaatsvinden in HARV's op aarde, maar om te bevestigen dat bacteriën zich echt op dezelfde manier gedragen in de ruimte, Tirumalai vindt het cruciaal dat we deze tests in een baan om de aarde brengen.

"Het is nu erg belangrijk om deze experimenten uit te voeren op het internationale ruimtestation en te zien hoe deze organismen reageren op echte ruimteomstandigheden, ' zegt Tirumalai.

Gezien de kosten en moeilijkheden bij het opzetten van experimenten op het ruimtestation, hij accepteert dat dit niet snel zal gebeuren.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NASA's Astrobiology Magazine. Verken de aarde en daarbuiten op www.astrobio.net.