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

Il viaggio spaziale a lungo termine presenta un insieme unico di sfide per la vita umana, non solo per gli astronauti, ma anche per gli organismi microscopici che condividono il loro ambiente. I batteri sono ovunque e, nell'aria e nell'acqua confinate e riciclate di un'astronave, il loro comportamento può cambiare in modi difficili da prevedere. Una delle differenze più significative tra la Terra e lo spazio è l'assenza di gravità. Sul nostro pianeta, la gravità tira verso il basso le particelle più pesanti e guida il movimento dei fluidi, creando un rimescolamento costante e delicato che aiuta i nutrienti a raggiungere le cellule e i prodotti di scarto ad allontanarsi. Nello spazio, senza questa attrazione, i fluidi si comportano diversamente; non si depositano e non circolano nello stesso modo. Ciò crea un ambiente stagnante dove il mondo minuscolo che circonda una cellia batterica può diventare molto diverso da quello terrestre. Gli scienziati sono profondamente interessati a come questi cambiamenti influenzino i batteri, in particolare l'Escherichia coli, un organismo comune presente nell'intestino umano. Se questi batteri dovessero cambiare forma, il loro involucro esterno o la loro capacità di resistere ai medicinali durante lo spazio, ciò potrebbe porre seri rischi per la salute dell'equipaggio e per l'integrità dell'astronave stessa.

Per comprendere questi potenziali cambiamenti senza l'immenso costo e la difficoltà di inviare esperimenti in orbita, i ricercatori si sono rivolti a uno strumento basato a terra chiamato clinostato 3D. Questo dispositivo è essenzialmente una piattaforma rotante che fa ruotare i campioni in tre dimensioni. Cambiando costantemente la direzione della gravità rispetto al campione, inganna le cellule all'interno facendole sperimentare uno stato di "assenza di peso funzionale", imitando le condizioni dello spazio. Un team di ricercatori presso la Savitribai Phule Pune University in India ha utilizzato questa macchina per far crescere l'E. coli e ha esaminato attentamente se il rivestimento esterno del batterio, noto come involucro cellulare, cambiasse sotto queste condizioni simulate. L'involucro cellulare è la barriera protettiva che circonda un batterio, agendo come la sua pelle e il suo scudo contro il mondo esterno. I ricercatori hanno ipotizzato che, poiché l'ambiente intorno alla cellula era cambiato, la cellula stessa potesse alterare la propria struttura per adattarsi.

Lo studio è iniziato facendo crescere due set dello stesso ceppo batterico. Un set è stato posto nel clinostato rotante per simulare la microgravità, mentre l'altro è stato mantenuto in un normale scuotitore da laboratorio che forniva una gravità normale e un rimescolamento costante. I ricercatori hanno monitorato i batteri nel tempo per vedere se crescessero a ritmi diversi. Hanno scoperto che la crescita complessiva dei batteri era sorprendentemente simile in entrambi gli ambienti. Le cellule si moltiplicavano e raggiungevano le stesse dimensioni di popolazione sia nell'ambiente spaziale simulato che sul banco da laboratorio. Ciò suggerisce che la mancanza di gravità non abbia impedito ai batteri di nutrirsi o di dividersi. Tuttavia, quando gli scienziati hanno guardato più da vicino la struttura fisica dei batteri, la storia è cambiata. Utilizzando un potente microscopio che usa elettroni per vedere i dettagli superficiali, hanno osservato che i batteri cresciuti in microgravità simulata apparivano diversi. Erano più corti e significativamente più sottili rispetto ai loro corrispettivi cresciuti in condizioni di gravità normale. Nello specifico, le cellule esposte all'ambiente spaziale simulato erano circa il 4% più corte in lunghezza e il 16% più strette in diametro.

Questo cambiamento di forma ha avuto una conseguenza matematica diretta per i batteri. Poiché sono diventati più sottili e corti, la loro superficie totale è diminuita, ma il loro volume è diminuito ancora di più. Ciò ha comportato un aumento del 14% del rapporto tra superficie e volume. In termini più semplici, i batteri sono diventati più efficienti nell'interagire con il loro ambiente immediato rispetto alle loro dimensioni. Questa è una scoperta significativa perché i batteri spesso cambiano forma per assorbire meglio i nutrienti quando il cibo scarseggia. I ricercatori hanno anche analizzato la composizione chimica delle pareti cellulari batteriche utilizzando una tecnica che misura come le cellule assorbono la luce infrarossa. Hanno trovato cambiamenti distinti nei segnali chimici associati agli zuccheri e alle proteine nella parete cellulare, particolarmente nella regione in cui è costruito l'involucro esterno. I dati hanno mostrato che la composizione chimica della parete cellulare era stata alterata, suggerendo che i batteri stessero rimodellando i loro strati protettivi in risposta alle condizioni uniche della microgravità simulata.

Oltre alla loro forma e composizione chimica, i ricercatori hanno indagato come i batteri interagissero con il loro ambiente e con i medicinali. Hanno testato se i batteri si aggrappassero tra loro, un comportamento noto come autoaggregazione, che è spesso un precursore della formazione di biofilm — strati viscosi che possono ostruire le apparecchiature. Hanno scoperto che i batteri non si aggregavano più o meno del solito, indipendentemente dalla condizione di gravità. Hanno anche testato quanto facilmente i batteri potessero essere uccisi dagli antibiotici. I risultati in questo caso sono stati sorprendenti. Sebbene i batteri rimanessero ugualmente suscettibili alla maggior parte dei farmaci testati, la loro suscettibilità a due antibiotici specifici, la Cefotaxime e la Cloramfenicolo, è diminuita significamente. I batteri cresciuti in microgravità simulata mostravano una significativa diminuzione della suscettibilità a questi farmaci. Ciò suggerisce che i cambiamenti nell'involucro cellulare, come l'assottigliamento della parete cellulare e i cambiamenti chimici, possano aver alterato il modo in cui questi specifici antibiotici interagiscono con i batteri.

I ricercatori hanno concluso che, sebbene i batteri non avessero smesso di crescere, l'ambiente di microgravità simulata li ha costretti ad adattarsi fisicamente e chimicamente. I batteri sono diventati più sottili, hanno cambiato la chimica delle loro pareti esterne e hanno mostrato una significativa diminuzione della suscettibilità a determinati antibiotici comuni. Queste scoperte sono cruciali per le future missioni spaziali. Se i batteri nello spazio cambiano forma e alterano la loro suscettibilità ai medicinali, ciò potrebbe complicare il trattamento delle infezioni per gli astronauti e aumentare il rischio di contaminazione batterica sulle superfici delle astronavi. Lo studio fornisce un quadro chiaro del fatto che l'involucro cellulare è una struttura dinamica che risponde alle forze fisiche del proprio ambiente. Sebbene questa ricerca sia stata condotta sulla Terra utilizzando una simulazione, offre uno sguardo vitale su come i passeggeri microscopici di un futuro viaggio spaziale potrebbero comportarsi quando lasceranno il nostro pianeta alle spalle.