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Mikroben verhalten sich im Orbit anders als auf der Erde. Neue Experimente an der Internationalen Raumstation (ISS) zeigen, dass Bakteriophagen — Viren, die Bakterien infizieren — und ihre bakteriellen Wirte in Mikrogravitation auf veränderten Evolutionspfaden agieren. Diese Veränderungen betreffen Genomvariationen, Infektionsdynamiken und Wirksamkeit gegenüber resistenten Bakterienstämmen und könnten neue Ansätze zur Bekämpfung antibiotikaresistenter Infektionen auf der Erde liefern. Die Untersuchung kombiniert Weltraumbiologie, Genomsequenzierung und Phagentherapie-Forschung, um Einblicke in die Co-Evolution von Phagen und Bakterien unter ungewöhnlichen physikalischen Bedingungen zu gewinnen, wobei Schlagwörter wie "Bakteriophagen", "Phagentherapie", "Mikrogravitation" und "antibiotikaresistente Infektionen" zentral sind.
Ein Phage ruht auf der Oberfläche einer Wirtszelle.
Warum Biologie in der Mikrogravitation wichtig ist
Stellen Sie sich ein evolutionäres Wettrüsten in einer versiegelten Box auf der ISS vor. Genau dies führten Forschende der University of Wisconsin–Madison zusammen mit dem Biotechnologieunternehmen Rhodium Scientific durch, als sie 2020 eine gemischte Population von Escherichia coli-Bakterien und ihrem viralen Räuber, dem T7-Bakteriophage, in den Orbit schickten. Parallel dazu liefen identische Kontrollen auf der Erde über einen Zeitraum von 25 Tagen, um direkte Vergleiche zu ermöglichen. Die mikrogravitationsbedingten Unterschiede sind nicht nur akademisch interessant: Sie zeigen, wie veränderte physikalische Kräfte Selektionsdruck und damit Genvariationen, Stoffwechselanpassungen und Wechselwirkungen zwischen Wirten und Pathogenen modulieren können. Solche Befunde sind relevant für Weltraummedizin (Schutz der Astronautengesundheit), Biotechnologie-Anwendungen im All und die Entwicklung neuer antimikrobieller Strategien auf der Erde, etwa zur Bekämpfung von multiresistenten Keimen. Forschungen zur Weltraumbiologie liefern damit einzigartige Erkenntnisse über evolutive Mechanismen, die in terrestrischen Standardbedingungen verborgen bleiben.
Wie das Experiment durchgeführt wurde
An Bord der ISS inkubierten Astronautinnen und Astronauten verschiedene Kombinationen von Bakterien und Phagen unter streng kontrollierten Temperatur- und Nährstoffbedingungen, sodass Entwicklung, Infektionsdynamik und Replikation beobachtet werden konnten. Auf der Erde wiederholte ein Team unter Leitung des Biochemikers Vatsan Raman in Madison dieselben Protokolle. Durch Hochdurchsatz-Genomsequenzierung, Plaque-Assays, Wachstumskurvenmessungen und zeitaufgelöste Analysen der Populationsdynamik konnten die Forschenden aufzeichnen, welche Mutationen in den im Orbit gezüchteten Mikroben auftraten und wie diese Mutationen Infektionsraten, Lysezeiten und Wirtsbereiche veränderten. Zusätzlich wurden Metagenomik- und Variantenanalyse-Methoden eingesetzt, um adaptive Signaturen zu identifizieren. Die Proben wurden nach Ende der Mission zur detaillierten Laboranalyse zurück zur Erde gebracht, wodurch funktionelle Tests — etwa die Bestimmung der Wirksamkeit der Raum-evolvierten Phagen gegen klinische, antibiotikaresistente Stämme — möglich wurden. Diese Kombination aus Raumexperimenten, Kontrollgruppen auf der Erde und modernen molekularen Analysetools erlaubt robuste Aussagen über die Rolle der Mikrogravitation in der mikrobiellen Evolution.
Überraschende genetische Veränderungen und neue Verwundbarkeiten
Die Bedingungen im Weltraum verzögerten offenbar den Beginn der Infektionen und schubsten beide Organismen auf evolutive Pfade, die in den Boden-Kontrollen nicht beobachtet wurden. Escherichia coli passte sich unter anderem durch Mutationen in Genen an, die an Stressantworten, Nährstoffaufnahme und Oberflächenstruktur beteiligt sind. Konkret wurden Veränderungen an Membranproteinen und Rezeptoren festgestellt, also genau an den Molekülen, an die sich Phagen normalerweise anlagern. Diese Modifikationen hatten zwei Effekte: Einerseits schützten sie die Bakterien kurzfristig vor dem Angriff, andererseits eröffneten sie neue evolutionäre Nischen, die von den Phagen erst adaptiert werden mussten. Nach einer verzögerten Anfangsphase entwickelten die T7-Phagen ihrerseits Mutationen, die ihre Fähigkeit wiederherstellten, die veränderten bakteriellen Oberflächen zu erkennen und zu binden. Solche Anpassungen betreffen üblicherweise Teile der Rezeptor-Bindedomänen oder der Schwanzfasern (tail fibers), die die Spezifität der Phagen bestimmen.
Besonders bemerkenswert ist, dass mehrere der im Orbit entstandenen Phagenvarianten außergewöhnlich effektiv Bakterienstämme abtöteten, die auf der Erde als Erreger von Harnwegsinfektionen (UTIs) bekannt und in vielen Fällen gegen Standardantibiotika resistent sind. In einigen Regionen zeigen über 90 % der UTI-verursachenden Stämme Resistenz gegenüber häufig eingesetzten Antibiotika, weshalb die Entwicklung alternativer Behandlungsstrategien wie der Phagentherapie international verstärkt untersucht wird. Die raum-evolvierten Mutationen lieferten Hinweise auf neue Rezeptor-Bindungsspezifitäten und erhöhte Lytizität gegen klinische Isolate, was das Potenzial hat, Phagenkandidaten mit verbesserter Aktivität gegen multiresistente Pathogene zu identifizieren.
Was das für Phagentherapie und Antibiotikaresistenz bedeutet
"Der Weltraum verändert grundlegend, wie Phagen und Bakterien interagieren", so die Forschenden, und betonen, dass die adaptationsgetriebenen Veränderungen aus der Mikrogravitation wertvolle biologische Einsichten liefern, die sich für das Engineering von Phagen mit verbesserter Aktivität gegen antibiotikaresistente Erreger auf der Erde nutzen lassen. Praktisch bedeutet das: Mutationen, die im Orbit beobachtet wurden, können als Blaupause dienen, um im Labor gezielt Phagenvarianten zu konstruieren oder zu selektionieren, die spezifisch gegen bestimmte resistente Stämme gerichtet sind. Dies unterstützt die Entwicklung von maßgeschneiderten Phagen-Cocktails, die entweder als Ersatz für oder in Kombination mit Antibiotika eingesetzt werden könnten.
Darüber hinaus zeigen diese Ergebnisse den Mehrwert, evolutionäre Tests unter untypischen physikalischen Bedingungen durchzuführen. Mikrogravitation stellt einen einzigartigen Selektionsdruck dar, der genetische Pfade und molekulare Interaktionen offenlegen kann, die in standardisierten terrestrischen Experimenten verborgen bleiben. Für Forschende, die die nächste Generation von antimikrobiellen Strategien entwerfen — inklusive synthetischer Biologie-Ansätze, gezielter Phagenmodifikation und Kombinationstherapien — erweitert diese Herangehensweise das methodische Repertoire erheblich und eröffnet neue Möglichkeiten zur Identifikation von Wirkmechanismen und Angriffspunkten gegen resistente Pathogene.
Zukünftige Perspektiven: gezielte Phagen und Weltraumbiologie
Folgestudien werden sich darauf konzentrieren, die Mechanismen hinter den stärksten raum-evolvierten Phagenvarianten detailliert zu charakterisieren und deren Sicherheit sowie Wirksamkeit in präklinischen Modellen zu prüfen. Dazu gehören in-vitro-Tests gegen umfangreiche klinische Isolatbibliotheken, tierexperimentelle Studien zur Pharmakodynamik und Pharmakokinetik sowie Untersuchungen zur Immunogenität und möglichen Nebenwirkungen. Langfristig könnten Erkenntnisse aus solchen Studien die Entwicklung personalisierter Phagentherapien unterstützen, bei denen für einzelne Patientinnen und Patienten aus einem Katalog geprüfter Phagen diejenige Kombination ausgewählt wird, die das Pathogen effizient eliminiert.
Die Untersuchung unterstreicht zudem einen größeren Punkt: Weltraumbiologie liefert nicht nur Erkenntnisse zur Gesundheit von Astronautinnen und Astronauten, sondern kann auch die Entdeckung neuartiger Lösungen für dringende öffentliche Gesundheitsprobleme auf der Erde beschleunigen, darunter die antimikrobielle Resistenz (AMR). Kombinationen aus gezielter Genomeditierung, directed evolution im Labor und Erkenntnissen aus Raumexperimenten könnten in Zukunft das Innovationspotenzial für neuartige antimikrobielle Mittel deutlich erhöhen. Parallel dazu bleiben regulatorische, ethische und technische Aspekte wichtig: Die Translation raum-evolvierter Phagen in klinische Anwendungen erfordert strenge Sicherheitsprüfungen, Qualitätskontrollen und standardisierte Herstellungsverfahren, um Wirksamkeit und Patientensicherheit zu gewährleisten.
Zusammenfassend zeigt diese Forschung, wie interdisziplinäre Ansätze — von Genomik über Mikrobiologie bis hin zur Weltraumwissenschaft — neue Wege eröffnen, um die Herausforderungen durch resistente Bakterien anzugehen. Die Integration von Weltraumexperimenten in die Pipeline der Wirkstoff- und Therapieentwicklung erweitert das Spektrum an Selektionsbedingungen und Adaptationsmöglichkeiten, was letztlich zu robusteren und vielseitigeren antimikrobiellen Strategien führen kann.
Quelle: scitechdaily
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