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

Langeafstandreizen in de ruimte brengen een unieke reeks uitdagingen met zich mee voor het menselijk leven, niet alleen voor de astronauten, maar ook voor de microscopische organismen die hun omgeving delen. Bacteriën zijn overal, en in de besloten, gerecyclede lucht en het water van een ruimtevaartuig kan hun gedrag veranderen op manieren die moeilijk te voorspellen zijn. Een van de meest significante verschillen tussen de aarde en de ruimte is de afwezigheid van zwaartekracht. Op onze planeet trekt de zwaartekracht zwaardere deeltjes naar beneden en drijft het de beweging van vloeistoffen aan, wat zorgt voor een constante, zachte circulatie die helpt om voedingsstoffen bij cellen te krijgen en afvalproducten weg te laten drijven. In de ruimte, zonder deze aantrekkingskracht, gedragen vloeistoffen zich anders; ze zetten niet af en ze circuleren niet op dezelfde manier. Dit creëert een stagnante omgeving waar de microscopische wereld rondom een bacteriecel heel anders kan zijn dan op aarde. Wetenschappers zijn diep geïnteresseerd in hoe deze veranderingen bacteriën beïnvloeden, met name Escherichia coli, een veelvoorkomend organisme in de menselijke darm. Als deze bacteriën van vorm, hun buitenste schil of hun vermogen om medicijnen te weerstaan veranderen terwijl ze in de ruimte zijn, zou dit serieuze risico's kunnen vormen voor de gezondheid van de bemanning en de integriteit van het ruimtevaartuig zelf.

Om deze potentiële veranderingen te begrijpen zonder de enorme kosten en moeilijkheden van experimenten naar een baan om de aarde te sturen, hebben onderzoekers zich tot een op aarde gebaseerd hulpmiddel gewend: een 3D-clinostaat. Dit apparaat is in essentie een roterend platform dat monsters in drie dimensies laat draaien. Door constant de richting van de zwaartekracht ten opzichte van het monster te veranderen, misleidt het de cellen erin om een staat van "functionele gewichtloosheid" te ervaren, wat de omstandigheden in de ruimte nabootst. Een team van onderzoekers aan de Savitribai Phule Pune University in India gebruikte deze machine om E. coli te kweken en onderzocht zorgvuldig of het buitenste omhulsel van de bacteriën, bekend als de celwand (cell envelope), veranderde onder deze gesimuleerde omstandigheden. De celwand is de beschermende barrière die een bacterie omringt en fungeert als haar huid en schild tegen de buitenwereld. De onderzoekers stelden de hypothese dat omdat de omgeving rond de cel veranderd was, de cel zelf van structuur zou kunnen veranderen om zich aan te passen.

De studie begon met het kweken van twee sets van dezelfde bacteriestam. Eén set werd in de roterende clinostaat geplaatst om microzwaartekracht te simuleren, terwijl de andere set in een standaard laboratoriumschudmachine werd gehouden die normale zwaartekracht en constante menging bood. De onderzoekers hielden de bacteriën gedurende een bepaalde tijd in de gaten om te zien of ze met verschillende snelheden groeiden. Ze ontdekten dat de algehele groei van de bacteriën in beide omgevingen opmerkelijk vergelijkbaar was. De cellen vermenigvuldigden zich en bereikten dezelfde populatiegroottes, of ze nu in de gesimuleerde ruimte-omgeving waren of op de laboratoriumtafel. Dit suggereert dat het gebrek aan zwaartekracht de bacteriën niet heeft verhinderd om te eten of zich te delen. Echter, wanneer de wetenschappers nauwkeuriger naar de fysieke structuur van de bacteriën keken, veranderde het verhaal. Met behulp van een krachtige microscoop die elektronen gebruikt om details aan het oppervlak te zien, observeerden zij dat de bacteriën die in gesimuleerde microzwaartekracht waren gekweekt, er anders uitzagen. Ze waren korter en aanzienlijk dunner dan hun tegenhangers die onder normale zwaartekracht waren gekweekt. Specifiek waren de cellen die werden blootgesteld aan de gesimuleerde ruimte-omgeving ongeveer 4 procent korter in lengte en 16 procent smaller in diameter.

Deze vormverandering had een directe wiskundige consequentie voor de bacteriën. Omdat ze dunner en korter werden, nam hun totale oppervlakte af, maar hun volume nam zelfs nog meer af. Dit resulteerde in een toename van 14 procent in de verhouding tussen oppervlakte en volume. In simpelere termen: de bacteriën werden efficiënter in hun interactie met hun directe omgeving in verhouding tot hun grootte. Dit is een belangrijke bevinding, omdat bacteriën vaak van vorm veranderen om voedingsstoffen beter te absorberen wanneer voedsel schaars is. De onderzoekers analyseerden ook de chemische samenstelling van de celwanden van de bacteriën met behulp van een techniek die meet hoe de cellen infrarood licht absorberen. Ze vonden duidelijke veranderingen in de chemische signalen die geassocieerd worden met suikers en eiwitten in de celwand, met name in de regio waar de buitenste schil wordt opgebouwd. De gegevens toonden aan dat de chemische samenstelling van de celwand was veranderd, wat suggereert dat de bacteriën hun beschermende lagen hermodelleren als reactie op de unieke omstandigheden van de gesimuleerde microzwaartekracht.

Naast hun vorm en chemische samenstelling onderzochten de onderzoekers hoe de bacteriën interageerden met hun omgeving en met medicijnen. Ze testten of de bacteriën samenklonteren, een gedrag dat autoaggregatie wordt genoemd, wat vaak een voorbode is van de vorming van biofilms — slijmachtige lagen die apparatuur kunnen verstoppen. Ze ontdekten dat de bacteriën niet meer of minder samenklonterden dan gebruikelijk, ongeacht de zwaartekrachtconditie. Ze testten ook hoe gemakkelijk de bacteriën door antibiotica gedood konden worden. De resultaten waren hier opvallend. Hoewel de bacteriën even gevoelig bleven voor de meeste geteste medicijnen, nam hun gevoeligheid voor twee specifieke antibiotica, Cefotaxime en Chloramphenicol, aanzienlijk af. De bacteriën die in gesimuleerde microzwaartekracht waren gegroeid, vertoonden een significante afname in gevoeligheid voor deze middelen. Dit suggereert dat de veranderingen in de celwand, zoals de verdunning van de celwand en de chemische verschuivingen, de interactie tussen deze specifieke antibiotica en de bacteriën kunnen hebben veranderd.

De onderzoekers concludeerden dat hoewel de bacteriën niet stopten met groeien, de gesimuleerde microzwaartekracht-omgeving hen dwong om fysiek en chemisch aan te passen. De bacteriën werden dunner, veranderden de chemie van hun buitenwanden en vertoonden een significante afname in gevoeligheid voor bepaalde veelvoorkomende antibiotica. Deze bevindingen zijn cruciaal voor toekomstige ruimtemissies. Als bacteriën in de ruimte van vorm veranderen en hun gevoeligheid voor medicijnen wijzigen, kan dit de behandeling van infecties voor astronauten bemoeilijken en het risico op bacteriële contaminatie van oppervlakken in het ruimtevaartuig vergroten. De studie biedt een duidelijk beeld van hoe de celwand een dynamische structuur is die reageert op de fysieke krachten van haar omgeving. Hoewel dit onderzoek op aarde is uitgevoerd met een simulatie, biedt het een essentieel inkijkje in hoe de microscopische passagiers van een toekomstige ruimtereis zich mogelijk zullen gedragen wanneer zij onze planeet achter zich laten.