Microbi-immagine: in questa illustrazione, un fago, un tipo di virus che infetta i batteri, si trova sulla superficie di una cellula ospite. I ricercatori dell’Università del Wisconsin-Madison hanno progettato un esperimento per la Stazione Spaziale Internazionale per studiare come le interazioni fago-batteri influenzino il microbioma intestinale. Crediti immagine: UW-Madison
Nel settembre 2020, i biochimici dell’Università del Wisconsin-Madison hanno lanciato nello spazio una piccola scatola contenente virus e batteri per studiare il modo in cui i microbi, come quelli che risiedono nel nostro intestino, rispondono alle condizioni spaziali. Ora, i batteri e i fagi (virus che infettano i batteri) sono tornati a Madison, portando con sé indizi su come i viaggi spaziali possano avere un impatto sul microbioma intestinale e indizi per il trattamento delle infezioni batteriche resistenti agli antibiotici sulla Terra.
“Il nostro esperimento non si è limitato a scoprire cosa succede quando batteri e fagi viaggiano nello spazio. Ci stiamo interrogando su come le mutazioni acquisite nello spazio possano essere rilevanti sulla Terra“, afferma il Professore di biochimica Vatsan Raman, che ha guidato il progetto. I risultati dei ricercatori sono pubblicati sulla rivista PLOS Biology .
Le relazioni batteri-fagi sono essenziali per mantenere un sano equilibrio nel microbioma intestinale umano: i batteri intestinali si evolvono per eludere le infezioni e, in risposta, i fagi mutano per trovare nuovi modi per infettare i batteri. Il laboratorio di Raman sta sfruttando questa relazione per progettare fagi in grado di competere e combattere le infezioni batteriche.
“Lo spazio è un ambiente davvero unico“, afferma Philip Huss, ricercatore post-dottorato presso il Raman Lab e autore principale dello studio. “Ha il potenziale per svelare possibilità di evoluzione dei fagi nascoste sulla Terra”.
Con scienziati e astronauti che trascorrono lunghi periodi di tempo nello spazio – e con l’avvento dei viaggi spaziali ricreativi – è diventato importante comprendere come gli ambienti a gravità ridotta (microgravità) influenzino la danza evolutiva tra batteri e fagi. La microgravità sostenuta è difficile da stabilire sulla Terra. Ma sulla Stazione Spaziale Internazionale, un laboratorio nazionale spaziale, è possibile condurre ricerche nelle condizioni di quasi assenza di peso, ideali per gli studi del Raman Lab.
Il Raman Lab ha collaborato con Rhodium Scientific per preparare campioni per i voli spaziali. Crediti immagine: Paul Escalante, UW–Madison
“Sulla Terra, sappiamo che i fagi si muovono nel loro ambiente e trovano un ospite batterico da infettare. Poi entrano e uccidono i batteri“, spiega Raman. “Ma nello spazio, queste regole d’ingaggio valgono ancora? Se non c’è gravità, il modo in cui i fagi si muovono nel loro ambiente sarà semplicemente diverso. Il modo in cui attaccano i batteri sarà diverso”. Gli scienziati dell’Università del Wisconsin-Madison hanno progettato i fagi in modo che mostrassero migliaia di mutazioni diverse e li hanno inviati nello spazio. Per 25 giorni, gli scienziati della Stazione Spaziale Internazionale hanno incubato diverse combinazioni di fagi e batteri insieme e in isolamento. A Madison, gli stessi esperimenti sono stati replicati sotto la gravità terrestre.
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Progettare un esperimento per lo spazio
Progettare un esperimento spaziale richiedeva che i ricercatori si attenessero a un set di materiali prestabilito, adatti a uno spazio ristretto. Per garantire la fattibilità dello studio e il rispetto degli standard di sicurezza della ricerca sulla ISS, il team ha collaborato con Rhodium Scientific, un’azienda biotecnologica che collabora con i ricercatori per facilitare l’esplorazione scientifica nello spazio.
Huss e Chutikarn Chitboonthavisuk (ex studente laureato presso il Raman Lab) hanno riscontrato differenze chiave confrontando i fagi e i batteri cresciuti nello spazio con quelli cresciuti sulla Terra. Nello spazio, i fagi e i batteri hanno acquisito nuove mutazioni: le proteine sulla superficie dei batteri sono cambiate e, a loro volta, i fagi sono mutati per legarsi a queste superfici alterate. Di conseguenza, le mutazioni che hanno permesso ai fagi di infettare i batteri nello spazio erano diverse da quelle sulla Terra.
Il Raman Lab ha quindi progettato fagi con una varietà di mutazioni che hanno avuto successo nello spazio per testarne l’efficacia contro i patogeni batterici sulla Terra, mettendoli al lavoro contro i batteri responsabili delle infezioni del tratto urinario. Attualmente, oltre il 90% dei batteri che causano infezioni del tratto urinario è resistente ad almeno un antibiotico.
“Abbiamo scoperto che le nuove combinazioni di mutazioni fagiche erano davvero efficaci nell’uccidere i patogeni delle infezioni delle vie urinarie sulla Terra”, afferma Raman. “E questo è piuttosto sorprendente. Perché un esperimento nello spazio dovrebbe influenzare la progettazione di terapie fagiche sulla Terra? Non lo sappiamo con esattezza, ma una delle nostre ipotesi è che i fattori ambientali che stressano i batteri delle infezioni delle vie urinarie imitino in qualche modo lo stress che i batteri subiscono in microgravità, rendendo simili le loro proteine di superficie“.
Grazie all’esperienza acquisita durante il viaggio del loro primo esperimento, i ricercatori stanno ora lavorando per rispondere a domande più grandi, con esperimenti che devono comunque rientrare nella stessa, piccola scatola, per un futuro lancio spaziale.
“Inizialmente, ci siamo posti domande di microbiologia di base, solo nello spazio”, afferma Huss. “Ora siamo pronti a studiare sistemi di molteplici fagi e batteri che rappresentano più da vicino la complessità del microbioma umano. Quali nuove interazioni avvengono nello spazio e cosa possiamo imparare da esse qui sulla Terra?“