Изменчивость бактерий в космосе объяснили гиперэкспрессией генов

Понимание того, как меняется поведение земных бактерий в условиях микрогравитации, важно для защиты космонавтов в длительных полетах. Например, известно, что в космосе бактерии могут производить больше вторичных метаболитов (витаминов и алкалоидов), становиться более вирулентными и устойчивыми к антибиотикам. По одной из версий, это связано с внеклеточной средой: уменьшение силы тяжести ограничивает способы переноса питательных веществ через мембрану. Но молекулярные механизмы таких нарушений остаются неясными.

Исследователи из Колорадского университета в Боулдере проверили теорию трансмембранной передачи на бактериях кишечной палочки (Escherichia coli). Для анализа использовались три группы бактерий, которые помещались в раствор с различным содержанием гентамицин сульфата (антибиотик) — 25, 50 и 75 микрограмм на миллилитр — на Земле и на борту Международной космической станции (МКС). После этого авторы сравнивали экспрессию генов (всего 4313 единиц) микроорганизмов в условиях нормальной и микрогравитации.

Результаты показали, что некоторые гены у E. coli после помещения в раствор на МКС оказались гиперэкспрессированы минимум в десять раз. Более половины этих генов принадлежат двум семействам: thiEFGHS (в 2,2–32,4 раза) и hdeABD (в 2,6–29 раз). Гиперэкспрессия thiEFGHS указывает на повышенный синтез тиамина, который нужен для нормального углеводного обмена, и голодание клеток. В свою очередь гиперэкспрессия hdeABD связана с нарушением кислотно-щелочного баланса. Так, ген hdeA кодирует белок, который защищает бактерию от высокой кислотности.

Кроме того, ученые наблюдали гиперэкспрессию генов malE (до 36,07 раз) и lamB (до 30,5 раза), которые обеспечивают транспорт в клетку мальтозы (дисахарида). При этом в эксперименте источником углевода в растворе была глюкоза. Запуск этих генов может говорить о попытках бактерий при микрогравитации найти альтернативные источники питания. За счет гиперэкспрессии других генов (malK, oppAB, oppCDF, Dps, glnG) E. coli, вероятно, пытались ускорить получение энергии, компенсировать дефицит глюкозы и азота и защитить ДНК от повреждений.

Поскольку гиперэкспрессированными оказались также ряд генов (gadE), связанных с уровнем pH, исследователи попытались выяснить источник их гиперэкспрессии. Дело в том, что pH маркирует только кислотно-щелочной баланс раствора, но не всей окружающей среды. Однако показатель pH в растворах, которые использовались на Земле и на борту МКС, был идентичен. Это позволило предположить, что на бактерии влияла именно высокая кислотность в условиях микрогравитации.

«Микрогравитационная среда МКС используется во многих исследованиях, например связанных с разработкой вакцин. Она помогает искать новые мишени в антибиотикорезистентных патогенах, а также испытывать вещества, которые предназначены для борьбы с остеопорозом и раком. Понимание того, как внеклеточные биофизические процессы влияют на передачу сигналов у бактерий, важно не только для космонавтики, но и других областей», — сообщил соавтор работы Луис Зеа (Luis Zea).