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

Langfristige Raumfahrt stellt eine einzigartige Reihe von Herausforderungen für das menschliche Leben dar, nicht nur für die Astronauten, sondern auch für die mikroskopischen Organismen, die ihre Umgebung teilen. Bakterien sind überall, und in der begrenzten, recycelten Luft und dem Wasser eines Raumfahrzeugs kann sich ihr Verhalten auf eine Weise verändern, die schwer vorhersehbar ist. Einer der bedeutendsten Unterschiede zwischen der Erde und dem Weltraum ist die Abwesenheit von Schwerkraft. Auf unserem Planeten zieht die Schwerkraft schwerere Partikel nach unten und treibt die Bewegung von Flüssigkeiten an, was eine ständige, sanfte Durchmischung erzeugt, die hilft, Nährstoffe zu den Zellen zu transportieren und Abfallprodukte wegzuschwemmen. Im Weltraum, ohne diesen Zug, verhalten sich Flüssigkeiten anders; sie setzen sich nicht ab und zirkulieren nicht auf die gleiche Weise. Dies schafft eine stagnierende Umgebung, in der die winzige Welt um eine Bakterienzelle herum sehr anders sein kann als auf der Erde. Wissenschaftler sind zutiefst daran interessiert, wie diese Veränderungen die Bakterien beeinflussen, insbesondere Escherichia coli, einen häufigen Organismus im menschlichen Darm. Wenn diese Bakterien in ihrer Form, ihrer äußeren Hülle oder ihrer Fähigkeit, Medikamente zu widerstehen, während sie im Weltraum sind, ihre Gestalt ändern, könnte dies ernsthafte Risiken für die Gesundheit der Besatzung und die Integrität des Raumfahrzeugs selbst darstellen.

Um diese potenziellen Veränderungen zu verstehen, ohne die immensen Kosten und Schwierigkeiten mit dem Versenden von Experimenten in die Umlaufbahn zu haben, wandten sich Forscher an ein erdgebundenes Werkzeug namens 3D-Clinostat. Bei diesem Gerät handelt es sich im Wesentlichen um eine rotierende Plattform, die Proben in drei Dimensionen dreht. Indem sie die Richtung der Schwerkraft relativ zur Probe ständig verändert, täuscht das Gerät die Zellen im Inneren vor, einen Zustand der „funktionalen Gewichtslosigkeit“ zu erleben, der die Bedingungen im Weltraum nachahmt. Ein Team von Forschern an der Savitribai Phule Pune University in Indien nutzte diese Maschine, um E. coli zu kultivieren und sorgfältig zu untersuchen, ob sich die äußere Hülle der Bakterien, bekannt als Zellhülle, unter diesen simulierten Bedingungen veränderte. Die Zellhülle ist die schützende Barriere, die ein Bakterium umgibt und als seine Haut sowie Schild gegen die Außenwelt fungiert. Die Forscher stellten die Hypothese auf, dass sich die Zelle selbst in ihrer Struktur verändern könnte, um sich anzupassen, da sich die Umgebung um die Zelle herum verändert hat.

Die Studie begann mit dem Kultivieren zweier identischer Sätze desselben Bakterienstamms. Ein Satz wurde in den rotierenden Clinostaten versetzt, um Mikrogravitation zu simulieren, während der andere Satz in einem Standard-Labor-Schüttler gehalten wurde, der normale Schwerkraft und ständige Durchmischung bot. Die Forscher überwachten die Bakterien über einen Zeitraum hinweg, um zu sehen, ob sie mit unterschiedlichen Raten wuchsen. Sie fanden heraus, dass das Gesamtwachstum der Bakterien in beiden Umgebungen bemerkenswert ähnlich war. Die Zellen vermehrten sich und erreichten die gleichen Populationsgrößen, egal ob sie sich in der simulierten Weltraumumgebung oder auf dem Labortisch befanden. Dies deutet darauf hin, dass der Mangel an Schwerkraft die Bakterien nicht am Essen oder Teilen hinderte. Als die Wissenschaftler jedoch genauer auf die physische Struktur der Bakterien blickten, änderte sich die Geschichte. Mit einem leistungsstarken Mikroskop, das Elektronen nutzt, um Oberflächendetails sichtbar zu machen, beobachteten sie, dass die in simulierter Mikrogravitation gezüchteten Bakterien anders aussah. Sie waren kürzer und signifikant dünner als ihre Gegenstücke, die unter normaler Schwerkraft gezüchtet wurden. Speziell waren die Zellen, die der simulierten Weltraumumgebung ausgesetzt waren, etwa 4 Prozent kürzer in der Länge und 16 Prozent schmaler im Durchmesser.

Diese Formveränderung hatte eine direkte mathematische Konsequenz für die Bakterien. Da sie dünner und kürzer wurden, verringerte sich ihre gesamte Oberfläche, aber ihr Volumen verringerte sich noch stärker. Dies führte zu einer 14 prozentigen Erhöhung des Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen. Einfacher ausgedrückt: Die Bakterien wurden effizienter darin, mit ihrer unmittelbaren Umgebung zu interagieren, relativ zu ihrer Größe. Dies ist ein bedeutender Befund, da Bakterien oft ihre Form ändern, um Nährstoffe besser aufzunehmen, wenn Nahrung knapp ist. Die Forscher analysierten auch die chemische Zusammenssetzung der Bakterienzellwände mit einer Technik, die misst, wie die Zellen Infrarotlicht absorbieren. Sie fanden deutliche Veränderungen in den chemischen Signalen, die mit Zuckern und Proteinen in der Zellwand assoziiert sind, insbesondere in dem Bereich, in dem die äußere Schale konstruiert wird. Die Daten zeigten, dass die chemische Zusammensetzung der Zellwand verändert worden war, was darauf hindeutet, dass die Bakterien ihre Schutzschichten als Reaktion auf die einzigartigen Bedingungen der simulierten Mikrogravitation umbauen.

Über ihre Form und chemische Zusammensetzung hinaus untersuchten die Forscher, wie die Bakterien mit ihrer Umgebung und mit Medikamenten interagierten. Sie testeten, ob die Bakterien zusammenklumpten, ein Verhalten, das als Autoaggregation bekannt ist und oft ein Vorläufer der Bildung von Biofilmen ist – schleimigen Schichten, die Ausrüstung verstopfen können. Sie fanden heraus, dass die Bakterien unabhängig von der Gravitationsbedingung nicht mehr oder weniger als üblich zusammenklumpten. Sie testeten auch, wie leicht die Bakterien durch Antibiotika abgetötet werden konnten. Die Ergebnisse hier waren bemerkenswert. Während die Bakterien gegenüber den meisten der getesteten Medikamente gleichermaßen empfindlich blieben, verringerte sich ihre Empfindlichkeit gegenüber zwei spezifischen Antibiotika, Cefotaxim und Chloramphenicol, signifikant. Die in simulierter Mikrogravitation gezüchteten Bakterien zeigten eine signifikante Abnahme der Empfindlichkeit gegenüber diesen Wirkstoffen. Dies deutet darauf hin, dass die Veränderungen in der Zellhülle, wie die Verdünnung der Zellwand und die chemischen Verschiebungen, die Interaktion dieser spezifischen Antibiotika mit den Bakterien verändert haben könnten.

Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass die simulierte Mikrogravitationsumgebung die Bakterien zwar nicht am Wachsen hinderte, sie aber dazu zwang, sich physisch und chemisch anzupassen. Die Bakterien wurden dünner, änderten die Chemie ihrer Außenwände und zeigten eine signifikante Abnahme der Empfindlichkeit gegenüber bestimmten gängigen Antibiotika. Diese Erkenntnisse sind entscheidend für zukünftige Weltraummissionen. Wenn Bakterien im Weltraum ihre Form ändern und ihre Empfindlichkeit gegenüber Medikamenten verändern, könnte dies die Behandlung von Infektionen bei Astronauten erschweren und das Risiko einer bakteriellen Kontamination auf Oberflächen von Raumfahrzeugen erhöhen. Die Studie liefert ein klares Bild davon, dass die Zellhülle eine dynamische Struktur ist, die auf die physikalischen Kräfte ihrer Umgebung reagiert. Obwohl diese Forschung auf der Erde unter einer Simulation durchgeführt wurde, bietet sie einen lebenswichtigen Einblick in das Verhalten der mikroskopischen Passagiere einer zukünftigen Weltraumreise, wenn sie unseren Planeten hinter sich lassen.