Investigating alterations in the cell envelope of Escherichia coli exposed to simulated microgravity

تمثل الرحلات الفضائية طويلة الأمد مجموعة فريدة من التحديات للحياة البشرية، ليس فقط لرواد الفضاء، بل أيضًا للكائنات المجهرية التي تشاركهم بيئتهم. فالبكتيريا موجودة في كل مكان، وفي الهواء والماء المعاد تدويرهما داخل المركبة الفضائية، يمكن لسلوكها أن يتغير بطرق يصعب التنبؤ بها. أحد أهم الاختلافات بين الأرض والفضاء هو غياب الجاذبية. على كوكبنا، تسحب الجاذبية الجسيمات الأثقل للأسفل وتدفع حركة السوائل، مما يخلق عملية تقليب مستمرة ولطيفة تساعد العناصر الغذائية على الوصول إلى الخلايا وتجعل الفضلات تبتعد. أما في الفضاء، وبدون هذا السحب، تتصرف السو fluids بشكل مختلف؛ فهي لا تترسب، ولا تتحرك بنفس الطريقة. وهذا يخلق بيئة راكدة حيث يمكن للعالم الصغير المحيط بالخلية البكتيرية أن يصبح مختلفًا جدًا عما هو عليه على الأرض. يهتم العلماء بعمق بكيفية تأثير هذه التغييرات على البكتيريا، وخاصة بكتيريا "الإشريكية القولونية" (Escherichia coli)، وهي كائن شائع يوجد في أمعاء الإنسان. فإذا تغير شكل هذه البكتيريا، أو غلافها الخارجي، أو قدرتها على مقاومة الأدوية أثناء وجودها في الفضاء، فقد يشكل ذلك مخاطر جسيمة على صحة الطاقم وسلامة المركبة الفضاء.

لفهم هذه التغييرات المحتملة دون التكلفة الباهظة والصعوبة المتمثلة في إرسال تجارب إلى المدار، لجأ الباحثون إلى أداة أرضية تسمى "الكلينوستات ثلاثي الأبعاد" (3D clinostat). هذا الجهاز هو في الأساس منصة دوارة تدير العينات في ثلاثة أبعاد. ومن خلال تغيير اتجاه الجاذبية باستمرار بالنسبة للعينة، فإنه يخدع الخلايا بداخلها لتشعر بحالة من "انعدام الوزن الوظيفي"، محاكيًا بذلك ظروف الفضاء. استخدم فريق من الباحثين في جامعة "سافيتريبولي بولي بوني" في الهند هذه الآلة لزراعة بكتيريا "الإشريكية القولونية" وفحص ما إذا كان غلاف الخلية، المعروف باسم الغلاف الخلوي، قد تغير تحت هذه الظروف المحاكية. الغلاف الخلوي هو الحاجز الواقي الذي يحيط بالبكتيريا، ويعمل كجلد ودرع لها ضد العالم الخارجي. افترض الباحثون أنه نظرًا لأن البيئة المحيطة بالخلية قد تغيرت، فقد تقوم الخلية نفسها بتغيير هيكلها للتكيف.

بدأت الدراسة بزراعة مجموعتين من نفس السلالة البكتيرية. وُضعت إحدى المجموعتين في "الكلينوستات" الدوار لمحاكاة الجاذبية الصغرى، بينما حُفظت المجموعة الأخرى في هزاز مختبري قياسي يوفر جاذبية طبيعية وخلطًا مستمرًا. راقب الباحثون البكتيريا بمرور الوقت لمعرفة ما إذا كانت ستنمو بمعدلات مختلفة. ووجدوا أن النمو الإجمالي للبكتيريا كان متشابهًا بشكل ملحوست في كلتا البيئتين. فقد تكاثرت الخلايا ووصلت إلى أحجام سكانية متساوية سواء كانت في بيئة الفضاء المحاكية أو على طاولة المختبر. وهذا يشير إلى أن نقص الجاذبية لم يمنع البكتيريا من التغذية أو الانقسام. ومع ذلك، عندما نظر العلماء عن كثب إلى الهيكل الفيزيائي للبكتيريا، تغيرت القصة. فباستخدام مجهر قوي يستخدم الإلكترونات لرؤية التفاصيل السطحية، لاحظ الباحثون أن البكتيريا التي نُميت في الجاذبية الصغرى المحاكية بدت مختلفة؛ فقد كانت أقصر وأرفع بشكل ملحوظ من نظيراتها التي نُميت في الجاذبية العادية. وتحديدًا، كانت الخلايا المعرضة لبيئة الفضاء المحاكية أقصر بنسبة 4 بالمائة في الطول وأضيق بنسبة 16 بالمائة في القطر.

كان لهذا التغيير في الشكل نتيجة رياضية مباشرة؛ فبسبب صغر حجمها وانخفاض عرضها، انخفضت مساحة سطحها الإجمالية، لكن حجمها انخفض أكثر من ذلك. أدى هذا إلى زيادة بنسبة 14 بالمائة في نسبة مساحة السطح إلى الحجم. وبتعبير أبسط، أصبحت البكتيريا أكثر كفاءة في التفاعل مع محيطها المباشر بالنسبة لحجمها. وهذا اكتشاف هام لأن البكتيريا غالبًا ما تغير شكلها لامتصاص العناصر الغذية بشكل أفضل عندما يكون الغذاء نادرًا. كما حلل الباحثون التركيب الكيميائي لجدران الخلايا البكتيرية باستخدام تقنية تقيس كيفية امتصاص الخلايا للضوء تحت الأحمر. ووجدوا تغيرات متميزة في الإشارات الكيميائية المرتبطة بالسكريات والبروتينات في جدار الخلية، خاصة في المنطقة التي يُبنى فيها الغلاف الخارجي. أظهرت البيانات أن التركيب الكيميائي لجدار الخلية قد تغير، مما يشير إلى أن البكتيريا كانت تعيد تشكيل طبقاتها الواقية استجابة للظروف الفريدة للجاذبية الصغرى المحاكية.

وبعيدًا عن شكلها وتركيبها الكيميائي، بحث الباحثون في كيفية تفاعل البكتيريا مع بيئتها ومع الأدوية. اختبروا ما إذا كانت البكتيريا تتكتل معًا، وهو سلوك يُعرف باسم "التجمع الذاتي" (autoaggregation)، والذي غالبًا ما يكون مقدمة لتكوين "الأغشية الحيوية" (biofilms)—وهي طبقات لزجة يمكن أن تسد المعدات. ووجدوا أن البكتيريا لم تتكتل معًا أكثر أو أقل من المعتاد، بغض النظر عن حالة الجاذبية. كما اختبروا مدى سهولة قتل البكتيريا بواسطة المضادات الحيوية. وكانت النتائج هنا مذهلة؛ فبينما ظلت البكتيريا معرضة للخطر بنفس القدر تجاه معظم العقاق_ات المختبرة، انخفضت حساسيتها بشكل كبير تجاه نوعين محددين من المضادات الحيوية وهما: "سيفوتاكسيم" (Cefotaxime) و"كلورامفينيكول" (Chloramphenicol). أظهرت البكتيريا التي نُميت في الجاذبية الصغرى المحاكية انخفاضًا ملحوظًا في الحساسية تجاه هذه الأدوية. وهذا يشير إلى أن التغييرات في الغلاف الخلوي، مثل ترقق جدار الخلية والتحولات الكيميائية، قد غيرت كيفية تفاعل هذه المضادات الحيوية المحددة مع البكتيريا.

خلص الباحثون إلى أنه على الرغم من أن البكتيريا لم تتوقف عن النمو، إلا أن بيئة الجاذبية الصغرى المحاكية أجبرتها على التكيف فيزيائيًا وكيميائيًا. لقد أصبحت البكتيريا أرفع، وغيرت كيمياء جدرانها الخارجية، وأظهرت انخفاضًا كبيرًا في الحساسية لبعض المضادات الحيوية الشائعة. هذه النتائج بالغة الأهمية لمهام الفضاء المستقبلية؛ فإذا تغير شكل البكتيريا في الفضاء وتغيرت حساسيتها للدواء، فقد يؤدي ذلك إلى تعقيد علاج العدوى لرواد الفضاء وزيادة خطر التلوث البكتيري على أسطح المركبات الفضائية. تقدم هذه الدراسة صورة واضحة بأن الغلاف الخلوي هو هيكل ديناميكي يستجيب للقوى الفيزيائية لبيئته. وبينما أُجري هذا البحث على الأرض باستخدام محاكاة، فإنه يقدم لمحة حيوية عن كيفية تصرف الركاب المجهريين لرحلة فضائية مستقبلية عندما يتركون كوكبنا وراءهم.