Comparative Genomics Reveals a Conserved Mobile Mercury Resistance Operon in Sphingomonas sanguinis Recovered from the International Space Station

All'interno della Stazione Spaziale Internazionale, un circuito chiuso di aria e acqua riciclate, la vita trova un modo per persistere. Questo ambiente creato dall'uomo non è solo un habitat per gli astronauti; è anche un ecosistema unico per i microbi. Sebbene la stazione venga pulita meticolosamente con filtri e trattamenti chimici, i batteri riescono comunque a sopravvivere, adattarsi e, a volte, prosperare in questi spazi ristretti e sterili. Comprendere come questi minuscoli organismi cambino quando lasciano la Terra ed entrano nello spazio è fondamentale. Se si evolvessero per diventare più resistenti o più duri alle condizioni ostili di un'astronave, potrebbero porre rischi per la salute dell'equipaggio o danneggiare i sistemi di supporto vitale che mantengono tutti in vita. Gli scienziati sospettano da tempo che l'ambiente spaziale agisca come una pentola a pressione, costringendo i batteri a sviluppare nuovi strumenti genetici per sopravvivere. Ma fino ad ora, i cambiamenti genetici specifici che permettono a questi microbi di resistere nello spazio sono rimasti in gran parte un mistero.

Un team di ricercatori si è messo in viaggio per risolvere questo enigma esaminando le impronte digitali genetiche di un tipo specifico di batterio chiamato Sphingomonas sanguinis. Questo batterio è un comune residente del suolo e dell'acqua sulla Terra, ma è stato anche trovato ripetutamente nei sistemi di acqua potabile e sulle superfici della Stazione Spaziale Internazionale. Gli scienziati volevano sapere se le versioni spaziali di questo batterio fossero cambiate rispetto ai loro cugini terrestri. Hanno raccolto i dati genetici da nove campioni del batterio prelevati dalla stazione spaziale nel corso di diversi anni e li hanno confrontati con otto campioni prelevati sulla Terra, inclusi ceppi trovati nel sangue umano, nelle piante di riso e nell'acqua di mare. Leggendo e confrontando l'intero codice genetico di questi diciassette diversi ceppi, i ricercatori sono stati in grado di vedere esattamente quali geni erano presenti nei batteri spaziali e quali mancavano.

Il confronto ha rivelato una differenza sorprendente. I batteri che vivono sulla stazione spaziale erano geneticamente molto simili tra loro, formando un gruppo familiare ristretto che era distinto dal mix diversificato di batteri presenti sulla Terra. Ancora più sorprendente, i batteri spaziali apparivano geneticamente più simili a un ceppo di Sphingomonas che era stato isolato dal sangue umano, suggerendo che i batteri sulla stazione probabilmente originassero dagli astronauti stessi. Tuttavia, la scoperta più significativa non riguardava solo la provenienza di questi batteri, ma ciò che trasportavano. I ricercatori hanno scoperto che ogni singolo ceppo di batterio proveniente dalla stazione spaziale possedeva un set completo di geni progettati per detossificare il mercurio, un metallo pesante velenoso. Questo set di geni, noto come operone, era completamente assente dai ceppi terrestri analizzati. Sebbene alcuni batteri della Terra avessero parti di questo sistema di difesa, nessuno possedeva l'attrezzatura completa e funzionale che i batteri spaziali portavano con sé.

Questo sistema di resistenza al mercurio è uno scudo biologico sofisticato. Include geni che agiscono come sensori per rilevare il mercurio, trasportatori che attirano la tossina all'interno della cellula ed enzimi che scompongono il mercurio tossico in una forma gassosa innocua che può essere rilasciata. Il fatto che i batteri spaziali abbiano questo sistema completo suggerisce che si siano adattati per gestire stress chimici che i loro simili terrestri non affrontano. I ricercatori hanno tracciato la posizione di questi geni e hanno scoperto che non facevano parte del cromosoma principale del batterio, ma si trovavano invece su un piccolo pezzo di DNA circolare chiamato plasmide. I plasmidi sono come hard disk portatili per i batteri: possono essere facilmente scambiati tra diverse cellule, permettendo a un batterio di acquisire rapidamente nuove abilità di sopravvivenza da un altro. Questa scoperta suggerisce fortemente che i batteri spaziali non abbiano evoluto lentamente questa resistenza nel tempo, ma abbiano acquisito l'intero pacchetto di resistenza al mercurio in un colpo solo, probabilmente attraverso un processo chiamato trasferimento genico orizzontale.

Per capire da dove potesse venire questa resistenza, il team ha esaminato altri batteri noti per vivere sulla stazione spaziale, come Ralstonia e Cupriavidus. Hanno scoperto che, sebbene anche queste altre specie possedessero geni di resistenza al mercurio, la disposizione di tali geni era diversa. La specifica configurazione dei geni di resistenza al mercurio nel batterio Sphingomonas non corrispondeva a nessuna singola altra specie trovata sulla stazione. Ciò indica che i ricercatori non sono riusciti a individuare un singolo "donatore" che abbia conferito ai batteri questa capacità. Inveve, l'evidenza punta a una storia complessa in cui i batteri hanno raccolto questo modulo di resistenza mobile dall'ambiente condiviso della stazione spaziale, forse da una varietà di fonti nel tempo. La natura chiusa e riciclata della stazione, con i suoi costanti trattamenti chimici e risorse limitate, ha probabilmente creato una pressione unica che ha favorito i batteri dotati di questi meccanismi di difesa extra.

La presenza di questo sistema di resistenza al mercurio è più di una semplice curiosità sugli batteri spaziali; evidenzia una preoccupazione più ampia per i viaggi spaziali a lungo termine. La capacità di questi microbi di trasportare e mantenere tali complessi strumenti di resistenza su elementi genetici mobili significa che possono condividere questi tratti con altri batteri, creando potenzialmente una comunità di super-sopravvissuti. Lo studio suggerisce che la stazione spaziale non sia solo un luogo in cui i batteri sopravvivono, ma un ambiente in cui essi evolvono attivamente e scambiano strumenti genetici per far fronte allo stress del volo spaziale. Sebbene i ricercatori non abbiano dimostrato che questi batteri stiano attualmente causando danni, la scoperta di un sistema di resistenza al mercurio conservato e mobile in tutti gli isolati spaziali funge da avvertimento. Dimostra che l'ambiente a ciclo chiuso di un'astronave può selezionare e preservare tratti genetici che potrebbero rendere i microbi più difficili da controllare, un fattore che le future missioni sulla Luna o su Marte dovranno considerare nel progettare i propri sistemi di supporto vitale e le strategie di monitoraggio microbico.