قد تكون الفيروسات أكثر قوة في بيئة الجاذبية الصغرى لمحطة الفضاء الدولية

عندما تقوم بالشراء من خلال الروابط الموجودة في مقالاتنا، قد تحصل شركة Future وشركاؤها المشتركون على عمولة.

محطة الفضاء الدولية (ISS) عبارة عن نظام بيئي مغلق، والبيولوجية الموجودة بداخله – بما في ذلك الكائنات الميكروبية – لا تتصرف بالضرورة بنفس الطريقة على كوكبنا الأصلي.

لفهم كيفية القيام بذلك بشكل أفضل الميكروبات قد تتصرف بشكل مختلف في الفضاء، حيث قام باحثون في جامعة ويسكونسن ماديسون بدراسة العاثيات – الفيروسات التي تصيب البكتيريا، والتي تسمى أيضًا العاثيات – في إعدادات متطابقة على حد سواء على سطح الأرض. محطة الفضاء الدولية وعلى الأرض. نتائجهم نشرت مؤخرا في المجلة بلوس علم الأحياء, تشير إلى أن الجاذبية الصغرى يمكن أن تؤخر العدوى، وتعيد تشكيل تطور كل من العاثيات والبكتيريا، بل وتكشف عن التركيبات الجينية التي قد تساعد في الأداء ضد البكتيريا المرتبطة بالأمراض على الأرض.

“إن دراسة أنظمة البكتيريا العاثيات في الفضاء ليست مجرد فضول لعلم الأحياء الفلكي؛ إنها طريقة عملية لفهم وتوقع كيفية تصرف النظم البيئية الميكروبية في المركبات الفضائية واستخراج حلول جديدة للعلاج بالعاثيات وهندسة الميكروبيوم في الوطن.” قال الدكتور فيل هاس، الأستاذ في جامعة ويسكونسن ماديسون وأحد المؤلفين الرئيسيين للدراسة، لموقع Space.com.

أساسيات البكتيريا

العاثيات، أو العاثيات، هي الكيانات البيولوجية الأكثر وفرة على هذا الكوكب، ولها يقدر الخبراء حوالي 10³¹ أو عشرة ملايين من العاثيات على الأرض. ليس من المستغرب أن توجد العاثيات، وهو اسم يعني “أكلة البكتيريا”، في كل مكان، وتشكل النظم البيئية الميكروبية في المحيطات والتربة وحتى أجسادنا. ولكن أحد الأماكن التي قد يكون فيها للعاثيات أكبر تأثير على الإنسان هو علاج ممكن ضد البكتيريا المقاومة للمضادات الحيوية والالتهابات البكتيرية الأخرى.

تعمل هذه العاثيات بمثابة “أنظمة توصيل” صغيرة ملفوفة بالبروتينات. ولكن على عكس عامل التوصيل الذي يقدم بيتزا لذيذة، فإن بعض العاثيات (مثل عاثية T7 المستخدمة في هذه الدراسة) تصيب البكتيريا عن طريق تعلق على ميزة سطحية محددة على الخلية — غالبًا ما يكون جزيءًا مطمورًا في الأغشية الخارجية للخلية البكتيرية — ويحقن مادتها الجينية. وبمجرد دخولها، تختطف العاثيات آلية البكتيريا لتصنع عدة نسخ من نفسها. وأخيرًا، يقوم بتفجير الخلية البكتيرية ويطلق موجة جديدة من جزيئات العاثيات التي يمكن أن تصيب البكتيريا القريبة.

تبدأ عملية الهجوم المحددة هذه بواسطة العاثيات سباق التسلح التطوري بين العاثيات والبكتيريا، حيث يمكن للبكتيريا أن تطور مقاومة لهذه الهجمات عن طريق تغيير أو إخفاء “منصة هبوط” العاثيات الموجودة على سطح الخلية.

وتصبح الأمور أكثر تعقيدًا عندما تتدخل الجاذبية الصغرى.

مواجهة بين الفيروسات والبكتيريا في المدار

ولدراسة كيفية تأثير الجاذبية الصغرى على هذه العملية، استخدم الباحثون عاثية بكتيريا تسمى T7 وفريستها البكتيرية. الإشريكية القولونية, أو ما هو أكثر شيوعا المعروف باسم الإشريكية القولونية. لعزل تأثيرات الجاذبية الصغرى بشكل نظيف قدر الإمكان، قام الفريق بإعداد مجموعتين متطابقتين من أنابيب عينات البكتيريا، دون اهتزاز، وحضنت في نفس درجة الحرارة لمدة ساعة أو ساعتين أو أربع ساعات، ولفترة أطول تبلغ 23 يومًا. مجموعة واحدة من الأنابيب ذهبت إلى محطة الفضاء الدولية في عام 2020، يحملها نورثروب جرومانNG-13 المركبة الفضائية سيجنوس بينما بقي الآخر في الأسفل على الأرض.

وأوضح هاس: “كان على التجربة أن تعمل ضمن قيود ناسا الصارمة: يجب أن تجتاز أجهزة التبريد المختومة التوافق الحيوي واختبار التسرب، وتتحمل دورات التجميد والذوبان المتعددة، وتظل آمنة للتعامل معها في المدار”. “حجم العينة أقل بكثير مما اعتدنا عليه على الأرض وتصميم تجربة حول هذا الأمر يمثل تحديًا!”

قام الفريق أيضًا بتنويع نسب البداية للعاثية إلى الإشريكية القولونية بحيث من المتوقع أن تصاب بعض العينات التي تحتوي على عدد أكبر من العاثيات بسرعة بينما قد يستغرق البعض الآخر وقتًا أطول ويظهر ديناميكيات أقوى.

نظرًا لعدم إمكانية إجراء التجربتين بالتوازي التام، سجل الفريق أوقات الحضانة الدقيقة على محطة الفضاء الدولية ثم قام بمطابقتها على الأرض بعد ذلك، وهو حل شائع للعديد من التجارب البيولوجية لمحطة الفضاء الدولية.

الجاذبية الصغرى تبطئ التفاعلات

في ظل ظروف مختبر الأرض النموذجية، يمكن للعاثيات T7 أن تصيب وتقتل الإشريكية القولونية الخلايا في أقل من ساعة، بالنظر إلى دورة حياة العاثية. ولكن في بيئة النظام المغلقة تمامًا والخالية من الاهتزاز، والتي تحاكي ظروف الجاذبية الصغرى، تحرك النظام بشكل أبطأ بشكل عام.

على الأرض، أظهرت المجموعة الضابطة زيادة في الالتهابات البكتيرية بين ساعتين وأربع ساعات، ولكن في الجاذبية الصغرى، لم تظهر الزيادة في أي من فترات الحضانة الأقصر، مما يشير إلى أن عملية العدوى بالعاثيات قد تباطأ. ومع ذلك، فإن قوارير الحضانة الأطول تحكي قصة مختلفة، فبعد 23 يومًا في المدار، كانت عملية العدوى ناجحة بعدد أقل من الأشخاص. الإشريكية القولونية وجدت في قوارير.

فلماذا يعتقد الباحثون أن التباطؤ قد حدث؟

وأضاف هاس: “نحن نفترض أن انخفاض اختلاط السوائل في الجاذبية الصغرى، بسبب عدم وجود حمل حراري مدفوع بالجاذبية، يقلل من معدل الالتقاء بين العاثيات والبكتيريا، وأن الضغط الناجم عن الجاذبية الصغرى على المضيف قد يغير تعبير المستقبلات أو العمليات داخل الخلايا، مما يزيد من تباطؤ العدوى المنتجة”.

بمعنى آخر، في الجاذبية الصغرى، لا تصطدم العاثيات والبكتيريا ببعضها البعض كما هو الحال في كثير من الأحيان، وربما تطورت البكتيريا لتكون أكثر مقاومة لهجمات العاثيات التي تجعل العدوى أكثر صعوبة، لذلك تبدأ الدورة بأكملها في وقت متأخر عما يحدث على الأرض.

طفرات الجاذبية الصغرى

بعد 23 يومًا، قام الفريق بتحليل التركيب الجيني للعاثيات وشاهد طفرات عبر جينومها، ولكن مع طفرات خاصة بالجاذبية الصغرى، خاصة في الجينات المرتبطة بالبنية والتفاعل مع المضيف. غيرت هذه الطفرات كيفية إصابة العاثيات للبكتيريا.

قال هاس: “بالنسبة لي، لم تكن إحدى النتائج الأكثر إثارة للدهشة هي ظهور الطفرات عبر جينوم العاثيات فحسب، بل أن الجاذبية الصغرى دفعت التطور إلى زوايا العاثيات التي ما زلنا لا نفهمها بالكامل”.

وبناءً على النتائج التي توصلوا إليها، فإن الجاذبية الصغرى قد لا تغير كيفية حدوث ذلك فحسب سريع تحدث العدوى ولكن أيضًا أي من جينات الفيروس الأهم عندما يتعلق الأمر بإصابة مضيف بكتيري بنجاح.

وقال الدكتور سريفاتسان رامان من جامعة ويسكونسن ماديسون، وهو مؤلف رئيسي آخر في الدراسة، لموقع Space.com: “لقد بدأنا للتو في خدش السطح”. “علينا فقط إجراء المزيد من التجارب مع ظروف أكثر تعقيدًا.”

ولم تكن العاثيات هي الوحيدة التي تغيرت، حيث يبدو أن البكتيريا تتطور أيضًا. ال الإشريكية القولونية تعرضت العاثيات إلى تراكم طفرات أكثر بكثير من البكتيريا التي لا تشكل تهديدًا للعاثيات، وهو ما يتوافق مع ضغط الانتقاء الذي يدفع سباقات التسلح التطورية.

أصابت بعض التغييرات الأكثر بروزًا الجينات المرتبطة بالأغشية الخارجية، مما قد يؤدي إلى تغيير ارتباط العاثيات مع مساعدة البكتيريا على التغلب على الإجهاد.

وأشار هاس إلى أن “الجاذبية الصغرى لا تؤدي إلى إبطاء الأمور فحسب، بل إنها تعيد تشكيل التطور المشترك بين العاثيات والمضيف، من ديناميكيات العدوى إلى الجينات المحددة والطفرات المهمة”.

الجاذبية الصغرى كوسيلة للمضي قدمًا في الطب القائم على الأرض؟

باستخدام تقنية تسمى المسح الطفري العميققام الفريق بمسح أكثر من 1600 طفرة مختلفة في جينوم العاثيات، ووجدوا أن الطفرات “الفائزة” في الجاذبية الصغرى تختلف بشكل حاد عن تلك الموجودة على الأرض.

“نتائجنا تدعم الجاذبية الصغرى باعتبارها متميز وقال هاس: “إن بيئة الاختيار التي تكشف عن أجزاء مختلفة من مشهد اللياقة البدنية أكثر مما يمكننا التقاطه على الأرض”.

استخدم الباحثون هذه الطفرات لإنشاء عاثيات معدلة قاموا باختبارها مسبب للأمراض البولية الإشريكية القولونية – سلالات الإشريكية القولونية المرتبطة بالتهابات المسالك البولية، والتي كانت أكثر مقاومة لهجمات العاثيات T7. وأظهرت النتائج أن هذه الفيروسات المعدلة يمكن أن تقتل البكتيريا المقاومة.

وقال رامان: “ما وجدناه في الدراسة هو أن طفرات العاثيات التي تم إثراؤها في الجاذبية الصغرى يمكن أن تعالج البكتيريا البولية وتقتلها. وهذا يخبرنا أن هناك شيئًا ما في حالة الجاذبية الصغرى يجعلها ذات صلة بمعالجة مسببات الأمراض على الأرض”.

وهذا له آثار كبيرة على العلاجات المستقبلية المحتملة للمرض الأمراض البكتيرية هنا على الأرض، من التسمم بالسالمونيلا إلى الالتهاب الرئوي إلى الإنتان. لكن إجراء المزيد من الاختبارات المطلوبة للوصول إلى هناك قد يكون أمرًا صعبًا.

وأضاف رامان: “إن إجراء هذه التجارب على محطة الفضاء الدولية ليس بالأمر التافه”. “أعني أن هذا يستغرق سنوات من التخطيط، وهناك الكثير من التحديات اللوجستية التي يجب التغلب عليها. ولإجراء هذه التجارب، فإن تنفيذها بطريقة روتينية سيكون في الواقع تحديًا كبيرًا للتنفيذ.”

ماذا عن مستقبل رحلات الفضاء؟

وبالتقريب من المجهري إلى المجهري، تشير هذه النتائج إلى أن الميكروبات الفضائية لن تبقى ثابتة، بل تتكيف وتتطور بطرق خاصة بالجاذبية الصغرى.

وأضاف هاس: “ما توضحه بياناتنا هو أن الميكروبات يمكنها التكيف بسرعة وبطرق غير متوقعة في الجاذبية الصغرى”. “من حيث المبدأ، يمكن لهذه الضغوط نفسها أن تُثري السمات التي نقلق بشأنها على الأرض، بما في ذلك مقاومة الأدوية أو تغير الفوعة. وهذا مسار تطوري معقول يجب أن تختبره التجارب المستقبلية بنشاط من خلال مراقبة قابلية المضادات الحيوية، واستجابات الإجهاد، والتفاعلات التنافسية مع مرور الوقت.”

هل يمكن أن تشكل هذه التعديلات تهديدًا حقيقيًا للبشر في مهمات فضائية طويلة المدى؟ ربما، ولكن بالنسبة لرامان، هناك حاجة إلى مزيد من الاختبارات قبل التوصل إلى هذا الاستنتاج.

وقال رامان “مسببات الأمراض تتطور طوال الوقت”. “أعتقد أنه يتعين علينا إجراء المزيد من الدراسات لمعرفة ما إذا كانت البكتيريا يمكن أن تتطور نحو طفرات قد تجعلها أكثر تسببًا للأمراض في ظل ظروف الجاذبية الصغرى. هذه ليست تجارب قمنا بها بالفعل في هذه الدراسة.

“لكن البكتيريا مرنة للغاية وتتطور طوال الوقت. لذلك لا أستبعد هذا الاحتمال، ولكن مرة أخرى، يجب على المرء أن يقوم بهذه التجارب الصارمة ليتساءل: هل يمكن للبكتيريا أن تصبح مسببة للأمراض في ظل ظروف محطة الفضاء الدولية؟”

يمكن أن يكون النظر إلى الميكروبيوم البشري أحد مجالات أبحاث الفضاء المستقبلية، حيث لا يزال من غير المفهوم جيدًا كيف يتطور الميكروبيوم في ظروف الفضاء.

بالنسبة للبشر على الأرض، فإن نتائج هذه الدراسة أكثر إيجابية، حيث يمكن أن تساعد الجاذبية الصغرى العلماء على تطوير العاثيات التي يمكنها قتل البكتيريا الأكثر مقاومة.

قال هاس: “إن القوة الحقيقية لمناظر اللياقة البدنية المشتقة من الفضاء هي أنها لا تقف بمفردها. ويمكن دمجها مع مجموعات البيانات الأرضية الغنية التي لدينا بالفعل لتحسين الاستراتيجيات الهندسية لحالات الاستخدام العلاجي. ويمكن القول إن هذا هو أكثر الوجبات الجاهزة القابلة للتنفيذ على الفور”.