Віруси, що інфікують бактерії, можуть виконувати свою функцію навіть в умовах майже повної невагомості на Міжнародній космічній станції (ISS). Однак швидкість інфекції змінюється, і як вірус, так і бактерія починають еволюціонувати іншими шляхами, ніж на Землі. Команда під керівництвом Філа Гасса з Університету Вісконсин–Медісон досліджувала, що відбувається, коли бактеріофаг T7 (класичний лабораторний вірус) зустрічається зі своїм звичним хазяїном — E. coli — в умовах мікрогравітації. Вчені порівняли ідентичні зразки, інкубовані на орбіті та на Землі, а потім проаналізували, як розвивається інфекція і які генетичні зміни накопичуються з часом.

МУТОВАНІ ФАГИ В КОСМОСІ
На Землі фаг «перемагає», коли натрапляє на відповідну бактерію, прикріплюється до неї, вводить свій генетичний матеріал і змушує клітину виробляти нові вірусні частинки. Час такої зустрічі залежить не лише від біології, а й від фізики. Перемішування, конвекційні потоки, осідання та постійне перерозподілення поживних речовин і продуктів обміну збільшують ймовірність зіткнення вірусів і бактерій.

У мікрогравітації цей рух змінюється. Конвекція, спричинена плавучістю, майже зникає, і рідини циркулюють інакше. Мікроорганізми опиняються в зовсім іншому середовищі з точки зору транспорту, дифузії та локального накопичення побічних продуктів. Водночас бактерії можуть змінювати свою фізіологію в умовах космічного польоту — зокрема, склад молекул зовнішньої мембрани, які фаги використовують як «ручки» для прикріплення.

Тому головне питання не лише в тому, «чи може відбутися інфекція», а в тому, чи змінюється сама еволюційна «боротьба» між бактерією і фагом у незвичних фізичних умовах.

ПРОСТИЙ ЕКСПЕРИМЕНТ НА МКС
Щоб максимально чисто ізолювати вплив мікрогравітації, дослідники підготували два однакові набори герметичних зразків у кріопробірках. Один набір відправили на МКС, інший залишили на Землі як контроль. Команда використала нерухомий штам E. coli (BL21), щоб виключити перемішування за рахунок руху бактерій, і інкубувала всі зразки при 37°C без струшування.

Дослідники перевіряли результати на коротких часових відрізках (1, 2 і 4 години) та на довгому (23 дні). Короткі інтервали дозволяли зафіксувати ранню динаміку інфекції, тоді як тривалий період давав обом організмам час розмножитися та адаптуватися.

ФАГИ В КОСМОСІ ПОВОДЯТЬСЯ ІНАКШЕ
За стандартних лабораторних умов T7 швидко інфікує та руйнує клітини E. coli. У цьому експерименті навіть на Землі інфекція відбувалася повільніше — приблизно між 2 і 4 годинами. У мікрогравітації уповільнення було значно сильнішим: у перші години фаг майже не демонстрував ознак активного розмноження.

Однак це не був глухий кут. Через 23 дні стало очевидно, що «космічні» фаги змогли розмножитися і зберегтися, тобто продуктивна інфекція все ж відбулася — але значно повільніше. Такий «пізній старт» важливий, адже час впливає на виживання: змінюється кількість доступних бактеріальних клітин, їхній стресовий стан і здатність до захисту.

РІЗНІ ЕВОЛЮЦІЙНІ РІШЕННЯ
Після підтвердження довготривалого результату інфекції вчені перейшли до генетики. Повногеномне секвенування показало, що і віруси, і бактерії накопичують мутації, але їхні патерни відрізняються між космосом і Землею.

У фагів мутації були розподілені по всьому геному, включно з білками, що відповідають за інфекційність і взаємодію з хазяїном. В умовах мікрогравітації деякі гени змінювалися частіше, що свідчить про інший набір «вигідних стратегій», ніж на Землі.

БАКТЕРІЇ ПІД ТИСКОМ
У бактерій мутації найчастіше виникали в генах, пов’язаних із зовнішньою мембраною та стрес-відповідями. Саме ці системи можуть допомагати бактеріям адаптуватися до мікрогравітації і водночас ускладнювати прикріплення фагів.

Також аналіз показав, що сам тиск фагів відіграє ключову роль: бактерії, які контактували з фагами, накопичували більше значущих мутацій, ніж ті, що росли без них. Тобто «гонка озброєнь» у космосі не зникла — вона просто пішла іншим шляхом.

КЛЮЧ ДО ІНФЕКЦІЇ
Далі команда зосередилась на важливому елементі — білку зв’язування з рецептором у фага T7, який відповідає за розпізнавання бактерії та запуск прикріплення. Вчені використали глибоке мутаційне сканування — створили велику бібліотеку варіантів цього білка з одиничними замінами амінокислот — щоб визначити, які зміни допомагають або заважають фагу в різних умовах.

Результат виявився суттєвим: «ландшафт пристосованості» мутацій у мікрогравітації помітно відрізнявся від земного. Це означає, що зміни середовища змінюють самі правила еволюційного відбору.

КОСМІЧНІ ФАГИ НА ЗЕМЛІ
І тут найцікавіше. Дослідники використали ці «космічні» підказки, щоб створити комбіновані варіанти фагів. Їх протестували проти двох клінічних штамів уропатогенної E. coli (UTI1 і UTI2), пов’язаних із інфекціями сечових шляхів.

Ці штами зазвичай стійкі до стандартного фага T7. Але варіанти, створені на основі «космічних» даних, показали кращу ефективність. Аналогічна бібліотека, створена на основі «земних» умов, такого результату не дала.

Це не означає, що космос — це фабрика ідеальних фагів. Але це показує, що мікрогравітація може відкривати нові еволюційні шляхи та корисні молекулярні зміни, які складніше знайти в стандартних лабораторних умовах.

ВІДКРИТТЯ В ЕКСТРЕМАЛЬНИХ СЕРЕДОВИЩАХ
Для тривалих космічних місій це має практичне значення: мікробні екосистеми на орбіті можуть поводитися знайомо за формою (інфекції відбуваються), але інакше за суттю (інший темп, інший відбір, інші шляхи адаптації).

Для медицини на Землі це відкриває нові можливості: екстремальні середовища можуть працювати як «двигуни відкриттів», допомагаючи знаходити нові принципи створення фагів, ефективніших проти складних для лікування бактерій.

«Космос принципово змінює взаємодію між фагами та бактеріями: інфекція сповільнюється, а обидва організми еволюціонують за іншою траєкторією, ніж на Землі», — зазначають дослідники.

«Вивчаючи ці адаптації, спричинені космічними умовами, ми отримали нові біологічні знання, які дозволили нам створити бактеріофаги зі значно вищою ефективністю проти лікарсько-стійких патогенів тут, на Землі.»