En ny studie från Northwestern University upptäckte att rymdfärd - både ombord på en rymdfärja eller den internationella rymdstationen (ISS) - har en konsekvent effekt på tarmmikrobiomet

Forskarna i Northwestern utvecklade ett nytt analytiskt verktyg för att jämföra mikrobiomdata från möss så långt tillbaka som 2011. Kallas STARMAPS (Similarity Test for Accordant and Reproducible Microbiome Abundance Patterns), verktyget indikerar att rymdfärd orsakar en specifik, konsekvent förändring av överflöd, förhållanden och mångfald av bakterier i tarmen.

Kanske mest överraskande, teamet använde också STARMAPS för att jämföra rymdfärdsdata med data som samlats in från jordbaserade studier om effekterna av strålning på tarmen. De uteslöt effektivt rymdstrålning som orsak till förändringar i mikrobiomet under rymdfärd.

"Strålning har definitivt en effekt på tarmmikrobiomet, " sa Northwesterns Martha Vitaterna, som ledde studien. "Men de här effekterna ser inte ut som vad vi såg under rymdfärden."

Studien publicerades förra veckan i tidskriften Microbiome. Vitaterna är forskarprofessor i neurobiologi vid Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences. Peng Jiang, forskarassistent i neurobiologi vid Weinberg, var tidningens första författare.

Vitaterna och mångårig samarbetspartner Fred W. Turek, också från Northwestern, ledde mikrobiomsektionen av NASA:s tvillingstudie, som jämförde fysiologiska förändringar hos astronaut Scott Kelly med hans jordbundna tvilling Mark. Även om Turek och Vitaterna fann att ett år i rymden påverkade astronauten Scott Kellys tarmmikrobiom, det var inte tillräckligt med data för att dra allmänna slutsatser om effekterna av rymdfärd på människokroppen.

"Om vi ​​ska skicka människor till Mars eller på långa uppdrag till månen, det är viktigt att förstå effekterna av långvarig exponering av rymdmiljön på oss – och på de biljoner bakterier som reser med oss, sa Turek, Charles och Emma Morrison professor i neurobiologi i Weinberg, som var medförfattare till tidningen. "Medan vi har studerat effekterna av ett år i rymden på Scott Kellys mikrobiota, vi måste använda möss i större antal för att fastställa effekterna av rymden."

Nödvändighet ger verktyg

NASA har under många år studerat effekterna av mikrogravitation på möss biologiska processer. Hösten 2014, den levererade sin första grupp möss till ISS för en 37-dagars vistelse. Sedan det experimentet (kallat Rodent Research-1), NASA har därefter levererat ytterligare sju grupper av möss till ISS, inklusive Northwestern-teamets Rodent Research-7-experiment.

Vitaterna och Jiang började med prover från Rodent Research-1, som inkluderade rymdfärdsgruppen plus en matchad markkontrollgrupp, en baslinjegrupp och en laboratoriegrupp som var inhyst i en konventionell musanläggning under samma tid av resan. De tittade också på musprover från det sista amerikanska rymdfärjeuppdraget, STS 135, som lanserades 2011.

Forskare har kämpat för att krossa all data på grund av den stora mängden. Det finns hundratals olika bakteriearter i tarmen, och olika individer kan ha väldigt olika bakteriesamhällen i tarmen i början av ett experiment. Detta gör det svårt att upptäcka när det finns ett konsekvent svar.

"Det fanns ingen statistisk metod för att göra det här arbetet, ", sa Vitaterna. "Verktygen fanns inte, så vi uppfann dem. Det är ett klassiskt fall av hur nödvändigheten är uppfinningarnas moder."

"Vi visste att rymdfärder påverkar mikrobiomet, så vi kunde ha tittat på detta anekdotiskt, " sade Jiang. "Men det finns många begränsningar för det. Vi behövde en mer omfattande, utsikt på hög nivå. Då kan vi säga att mikrobiomförändringar är jämförbara mellan flera rymdfärder."

Kartläggning av mikrobiomet

STARMAPS tillhandahåller en ny metod för att placera all data från olika experiment i samma flerdimensionella utrymme. Då kan användarna lättare se mönster där olika typer av bakterier blir mer eller mindre förekommande under olika förhållanden.

Med hjälp av detta verktyg, forskarna från Northwestern märkte omedelbart att mikrobiomer i rymdfärds- och markkontrollmöss såg väldigt annorlunda ut än de andra två grupperna. Markkontrollgruppen bor i en miljösimulator som direkt matchar rymdfärdens livsmiljöer. Gassammansättningen, temperatur och kost är exakt samma.

"Vi fann att livsmiljön har en stor inverkan, " sa Vitaterna.

Även om forskarna inte använde STARMAPS för att analysera prover som samlats in från astronauten Scott Kelly under hans år i rymden, de märkte att hans data passade likadant, konsekvent mönster orsakat av rymdfärd.

"Några av förändringarna på hög nivå liknar varandra, ” sade Jiang. ”Vi såg förhållandena av de samma huvudtyperna av bakterier förändras i samma riktning och en liten ökning i övergripande mångfald. Det är konsekvent."

Utesluter strålning

Men, fortfarande, rymdflygningen och markkontrollmössens mikrobiomer var ganska olika varandra. Detta bevisar att det finns en distinkt effekt från rymdfärd. För att ta reda på vad som kan orsaka den effekten, forskarna grävde djupare.

En möjlighet var att exponering för strålning i rymden kunde orsaka mikrobiomskiftet. Jiang hittade flera jordbaserade studier om effekterna av strålning på musmikrobiomet och analyserade dem med STARMAPS. De upptäckte att mikrobiomförskjutningarna orsakade av rymdfärd kontra strålning inte stämde överens.

Vitaterna och Jiang tror att mikrogravitation kan orsaka rymdflygningseffekten, men de är överens om att mer arbete måste göras. De bearbetar för närvarande prover från Rodent Research-7 och hoppas att data kommer att innehålla fler ledtrådar. Vitaterna sa att mångfalden och förhållandet mellan tarmbakterier under rymdfärd mest liknar stress.

"Att förstå faktorerna som kan minska denna typ av mikrobiomförändringar skulle vara användbar information att ha - för att kompensera effekterna av stress på jorden, "Sade hon. "Att förstå vilka genetiska faktorer som bidrar till skillnader i bakteriestammar kommer att vara användbart för att utveckla motåtgärder som kan skydda din mikrobiom under stressiga perioder."