Livet har hittat sätt att övervinna, och trivs till och med, i många extrema situationer – från pooler med supersaltlösningar till de höga temperaturerna i hydrotermiska ventiler. Ett nytt experiment har visat att mikrogravitationen som finns i rymden också är en miljö där livet kan anpassa sig.

Forskare vid University of Houston använde två nästan identiska stammar av icke-patogena E. coli, en vanlig bakterie som finns i djurens tarmar, och sätta dem på prov. En stam, NCM520, odlades i en kolv under normala förhållanden på jordens gravitation, medan den andra, MG1655, placerades i en särskild kammare utlånad från Johnson Space Center som simulerar mikrogravitation. Tillräckligt liten för att passa i handflatorna, kärlet med hög bildförhållande (HARV) roterar långsamt (cirka 25 varv / min) på sin sida, så att mikroberna som växer i de flytande medierna inuti är i fritt fall.

Efter att ha växt i tusen generationer i HARV - mycket längre än några tidigare experiment som involverade bakterier - hade MG1655-stammen vuxit ur den gravitationskontrollerade stammen, NCM520, med en faktor tre till ett. Forskarna drog slutsatsen att stressen att befinna sig i en mikrogravitationsmiljö hade initierat en anpassning som ökade konkurrensen hos MG1655 -stammen.

"Att genomföra dessa studier på jorden genom att simulera mikrogravitation är extremt viktigt om vi ska få en mer övergripande bild av mikrobiell överlevnad i rymden, "säger Madhan Tirumalai, den ledande forskaren och en mikrobiolog vid University of Houston.

Tirumalais team ville veta om denna anpassning skedde på genetisk nivå, eller om det var ett fysiologiskt svar på förändringen i gravitationen. Som en analogi, om en person flyttar från en kall plats till ekvatorn, hur anpassar han eller hon sig till temperaturförändringen, och skulle återvändande hem radera dessa anpassningar? Radering skulle innebära att anpassningarna är fysiologiska, inte genetiskt.

Forskarna fann att 72 procent av MG1655 -stammens adaptiva fördel behölls efter återgång till normal gravitation och efterföljande tillväxt i ytterligare 10 eller 20 generationer. Forskarna drog slutsatsen att medan några av förändringarna var fysiologiska, de som fanns kvar när de återvände till jordens gravitation ägde rum på genetisk nivå och gav den mikrogravitationsanpassade stammen en fördel framför den oanpassade stammen. Närmare granskning visade att 16 gener hade muterat i MG1655, inklusive fem gener kopplade till bildandet av biofilm - surA, fimH, trkH, fhuA- och ygfK-gener.

Biofilmer är tunna samlingar av celler som länkar samman för att möjliggöra bättre fördelning av resurser och vidhäftning till ytor. En ökad bildning av biofilm är fördelaktig för bakteriell överlevnad och denna anpassning till mikrogravitation skulle till synes förbättra bakteriernas förmåga att kolonisera ytor i rymdmiljöer. Även om Tirumalais forskning har konsekvenser för bakteriell förmåga att kolonisera den internationella rymdstationen, andra forskare kan nu börja fråga om liknande anpassningsstudier kan hjälpa till att utforska möjligheten att bakterier kan överleva utomjordiska miljöer, som asteroider, kometer eller små månar.

"Sätt en mikrobiell organism under alla stressförhållanden eller i en ny typ av miljö och över en tidsperiod kommer den att börja genomgå mutationer i en riktning som hjälper den att få någon form av tillväxtfördel för att överleva, säger Tirumalai.

Fynden representerar en form av "experimentell utveckling, " där en bakteriestams utveckling manipuleras av de experimentella miljöerna och påfrestningarna där bakterierna är placerade, säger mikrobiologen Robert McLean, en biolog vid Texas State University som inte var involverad i Tirumalais forskning.

"Från mitt perspektiv, betydelsen av dessa fynd är att några tidigare okända mutationer inträffade i stammen av E. coli utsatt för mikrogravitation, " säger McLean. "De här representerar långsiktiga förändringar, som experimentell evolution kan testa."

Hälsorisker

Det finns också ett potentiellt samband mellan tillväxten av biofilmer och bakteriernas virulens. Även om stammarna av E. coli som användes i experimentet inte var patogena, uppsättningen gener som ansvarar för biofilmbildning i patogena stammar är nära kopplade till de gener som är involverade i patogenicitet. Förändringar i en uppsättning gener skulle medföra förändringar i den andra uppsättningen.

"Det finns en sannolikhet att de virulenta generna skulle genomgå mutationer och selektion för att få stammar att bli mer virulenta, säger Tirumalai.

Ytterligare bevis på detta är fallet med den patogena stammen Salmonella enterica serovar Typhimurium. Tidigare experiment ledda av genetikern James Wilson från Villanova University visade att denna stam av salmonella blev mer virulent efter exponering för mikrogravitation.

"Biofilmbildning är avgörande inte bara för bakteriekolonisering utan den är också kopplad till bakteriell virulens, säger Tirumalai.

Bortsett från de astrobiologiska konsekvenserna, resultaten kan också avslöja problem för astronauter på den internationella rymdstationen eller djupa rymdresor. Biofilm kan förorena vattenåtervinningssystem, medan ökad virulens kan utgöra en hälsorisk för astronauter. Dock, det återstår att bekräfta om bakterier som E. coli eller Salmonella gör det, verkligen, bete sig på detta sätt i en verklig rymdmiljö, eller om mikrogravitation påverkar andra bakterier på detta sätt.

"Andra bakterier och organismer kan göra något helt annat, "varnar McLean.

Att överleva i rymden

Om vi ​​antar att andra bakterier fungerar som E. coli i mikrogravitation, detta kan potentiellt få viktiga konsekvenser för astrobiologi. Panspermiateorin föreslår att biologiskt material kan överföras mellan planetkroppar via asteroider och rymdskräp, men skulle kräva att mikrober blomstra under långa perioder i rymden. Det är möjligt att livet kunde ha bytt jorden mot Mars och vice versa efter enorma effekter som skickade steniga skräp packade med mikrober ut i rymden. McLean föreslår att för att livet ska överleva en sådan resa, den måste först motstå värmen och energin från den första stöten som sprängde den ut i rymden, sedan de extrema förhållandena i det interplanetära rymden, och slutligen värmen och energin i att komma in i atmosfären och påverka marken på en ny planet.

McLean påpekar att hans forskning visar att bakterier kan överleva återinträde och påverkan. Hans grupp genomförde ett mikrobiellt experiment för att testa om biofilmer kunde bildas i rymden ombord på rymdfärjan Columbias sista flygning 2003 och fann att, mirakulöst, bakterierna överlevde förstörelsen av rymdfärjan. Det är för närvarande okänt, dock, om ökad biofilmbildning i rymden skulle stärka sannolikheten för att mikrober skulle kunna överleva rymdförhållanden.

"Jag vet inte om tillväxt av biofilm skulle göra någon skillnad eller inte, säger McLean, "men det skulle vara intressant att testa."

Ytterligare experiment kan äga rum i HARV på jorden, men för att bekräfta att bakterier verkligen beter sig på liknande sätt i rymden, Tirumalai anser att det är avgörande att vi tar dessa tester i omloppsbana.

"Det är nu mycket viktigt att genomföra dessa experiment på den internationella rymdstationen och se hur dessa organismer reagerar på verkliga rymdförhållanden, säger Tirumalai.

Med tanke på kostnaderna och svårigheterna med att sätta upp experiment på rymdstationen, han accepterar att detta inte kan hända när som helst snart.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av NASAs Astrobiology Magazine. Utforska jorden och mer på www.astrobio.net.