Een ongekende proef met bacteriën en bacteriedodende virussen, bacteriofagen, aan boord van het ISS laat zien dat microzwaartekracht de spelregels tussen deze microben verandert. De infectie verloopt veel trager: 23 dagen in de ruimte tegenover enkele uren op aarde. Microzwaartekracht veroorzaakt bovendien ongebruikelijke mutaties bij zowel de fagen als de bacteriën. Sommige daarvan geven de virussen die terugkeren naar de aarde een “antibiotische” werking die 100 keer effectiever is.
De Crew 10-bemanning van het International Space Station kreeg vorig jaar een opmerkelijk pakketje. Het werd aangeleverd door het bevoorradingsschip NG-13 Cygnus en bevatte… een mengsel van virussen en bacteriën. Geen zorgen: de astronauten liepen geen enkel risico. Het mengsel was ingevroren op -80 °C en zat in hermetisch afgesloten buisjes van rhodium, een zeldzaam metaal dat bekendstaat om zijn stevigheid en corrosiebestendigheid.
“Volgt de strijd tussen fagen en bacteriën in de ruimte dezelfde principes als op aarde?”
Belangrijk detail: de meegeleverde virussen zijn onschadelijk voor mensen. Het gaat om bacteriofagen (of fagen), dus virussen die uitsluitend bacteriën infecteren en geen menselijke cellen. “Fagen en bacteriën voeren een meedogenloze strijd om te overleven. Bacteriën bouwen verdedigingsmechanismen op tegen fagen, terwijl fagen nieuwe manieren ontwikkelen om die verdediging te omzeilen”, vertelt Srivatsan Raman, universitair hoofddocent biochemie aan de University of Wisconsin–Madison (VS) en verantwoordelijke van het lab dat de monsters naar het ISS stuurde, aan Sciences et Avenir. “We vroegen ons af of die strijd in de ruimte dezelfde regels volgt als wat we op aarde zien. Daarom lieten we — volgens de veiligheidsprotocollen van NASA — monsters van Escherichia coli naar het ISS sturen, waarvan sommige al waren geïnfecteerd met T7-fagen die specifiek zijn voor deze stam.”
Zodra de monsters waren aangekomen, hoefden de astronauten de buisjes alleen maar op te warmen tot 37 °C en ze verschillende tijdsperiodes te laten “werken”. Sommige monsters werden enkele uren geïncubeerd, andere ongeveer twintig dagen. Daarna werden ze opnieuw ingevroren en teruggestuurd naar Ramans laboratorium, zodat het team ze kon vergelijken met identieke monsters die op aarde waren gebleven.
De uitkomst? In microzwaartekracht hebben fagen veel meer tijd nodig om hun prooi te infecteren dan op aarde. “Op onze planeet vermenigvuldigen T7-fagen zich al binnen 4 uur explosief: van enkele eenheden naar 10 miljoen kopieën, terwijl ze de kolonies Escherichia coli decimeren. Maar in de ruimte zijn enkele uren niet genoeg”, getuigt Raman, mede-auteur van de studie die deze maand in PLOS Biology verscheen. “Pas in de monsters die 23 dagen waren geïncubeerd, zagen we een duidelijke vermenigvuldiging van de fagen.”
Fagen die in microzwaartekracht zijn aangepast, zijn op aarde effectiever tegen bacteriën
Die traagheid is te verklaren door het ontbreken van convectie in microzwaartekracht, waardoor fagen en bacteriën elkaar minder vaak “tegenkomen”. Zonder de natuurlijke vloeistofstromen die door zwaartekracht ontstaan, zwerven fagen en bacteriën rond als schepen zonder wind — en dat vertraagt de infectie.
Een ander effect van microzwaartekracht speelt zich af op moleculair niveau: zowel fagen als bacteriën vertoonden mutaties die anders waren dan in de monsters op aarde. Niet verrassend stapelden de fagen in het ruimtestation geleidelijk specifieke mutaties op die hun vermogen kunnen vergroten om zich aan bacteriecellen te hechten. Tegelijk verzamelden de Escherichia coli in de ruimte mutaties die hen mogelijk beter beschermen tegen fagen en hun overleving verbeteren in omstandigheden van bijna gewichtloosheid. Net als op aarde gaat de evolutionaire wapenwedloop tussen fagen en bacteriën dus ook in de ruimte gewoon door.
Daarnaast ontdekte het team van de University of Wisconsin–Madison iets extra’s: fagen die in microzwaartekracht zijn veranderd, blijken op aarde beter te werken tegen bacteriën. “We hebben bibliotheken van fagen gemaakt waarin we de meest succesvolle mutaties combineerden die we in de ruimte en op aarde zagen. Vervolgens testten we die op bacteriekolonies die ziekten veroorzaken”, legt de Amerikaanse onderzoeker uit. “Fagen met mutaties die uit microzwaartekracht kwamen, infecteerden 100 keer beter bepaalde Escherichia coli-stammen die urineweginfecties veroorzaken en resistent zijn tegen ‘normale’ fagen. Omgekeerd lieten fagen met aardse mutaties geen enkele verbetering zien.”
Op basis van deze resultaten wil het team nieuwe experimenten uitvoeren aan boord van het ISS. Ze willen andere bacteriestammen tegenover fagen zetten, bijvoorbeeld bacteriën die zich kunnen verplaatsen en mogelijk beter weerstand bieden doordat ze hun omgeving zelf “mengen”. Ook willen ze het aantal invries-/ontdooi-cycli verminderen — omdat die een deel van de monsters aantastten — en tussentijden bestuderen tussen 4 uur en 23 dagen om de onderliggende mechanismen preciezer te begrijpen. “De ruimte is niet alleen een plek om te verkennen, maar ook een uniek laboratorium voor biologie”, besluit Srivatsan Raman.
Bron: Futura