国际空间站（ISS）是一个封闭的生态系统，其中的生物——包括其微生物居民——在我们地球上的行为方式不一定相同。
为了更好地了解微生物在太空中的行为差异，威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员在国际空间站和地球相同环境下，对感染细菌的病毒（即噬菌体）进行了对比研究。他们近期发表在《PLOS Biology》杂志的成果表明，微重力环境能够延缓感染过程、重塑噬菌体与细菌的进化轨迹，甚至揭示可能有助于对抗地球致病菌的基因组合。
"在太空研究噬菌体-细菌系统不仅是天体生物学的好奇探索，更是理解航天器内微生物生态系统行为的实用途径，同时能为地球上的噬菌体疗法和微生物组工程挖掘新解决方案。"威斯康星大学麦迪逊分校教授、该研究主要作者之一菲尔·赫斯博士向Space.com表示。
噬菌体基础知识
噬菌体是地球上最丰富的生物实体，专家估计地球存在约10的31次方（即10 nonillion）个噬菌体。顾名思义作为"细菌吞噬者"，噬菌体广泛存在于海洋、土壤甚至人体内，塑造着全球微生物生态系统。但噬菌体对人类影响最显著的领域可能是作为对抗耐抗生素细菌及其他细菌感染的潜在疗法。
这些噬菌体如同蛋白质包裹的微型"递送系统"。但与递送披萨不同，部分噬菌体（如本研究使用的T7噬菌体）通过附着在细菌细胞表面的特定结构（通常是嵌入细菌外膜的分子）并注入遗传物质来实现感染。一旦进入细胞，噬菌体会劫持细菌的复制机制大量自我复制，最终裂解细菌细胞并释放新噬菌体波次，继续感染邻近细菌。
噬菌体的这种特异性攻击过程随即引发噬菌体与细菌间的"进化军备竞赛"：细菌可通过改变或隐藏细胞表面的噬菌体"着陆点"来进化出抗性。而当微重力环境介入时，情况变得更为复杂。
轨道上的病毒-细菌对决
为研究微重力对此过程的影响，研究团队采用T7噬菌体及其细菌宿主——通常称为大肠杆菌（E. coli）的Escherichia coli进行实验。为最大限度隔离微重力效应，团队准备了两组完全相同的静置细菌样本管，在相同温度下分别培养1小时、2小时、4小时及23天。其中一组于2020年通过诺斯罗普·格鲁曼公司的天鹅座（Cygnus）航天器NG-13任务送往国际空间站，另一组则留在地球对照。
"实验需满足美国宇航局的严格限制：密封冻存管必须通过生物相容性和防漏测试，承受多次冻融循环，并确保轨道操作安全，"赫斯解释道，"样本量远低于地球常规实验，设计实验方案极具挑战性！"
团队还调整了噬菌体与大肠杆菌的初始比例，使部分样本因噬菌体较多而快速感染，另一些则因比例较低而展现更明显的动态变化。由于两个实验无法完全同步，团队精确记录了空间站培养时间，并在地球实验后进行匹配——这是国际空间站生物实验的常见解决方案。
微重力延缓相互作用
在典型地球实验室条件下，T7噬菌体能在一小时内感染并杀死大肠杆菌细胞。但在模拟微重力的完全密封静置系统中，整个过程明显放缓。地球对照组在2至4小时间出现细菌感染激增，而微重力环境下在较短培养期内均未出现此现象，表明噬菌体感染过程已显著延缓。然而23天培养管呈现不同结果：空间站样本中成功完成感染过程，试管内大肠杆菌数量显著减少。
研究者推测延缓原因："我们假设微重力下流体混合减少（因缺乏重力驱动对流）降低了噬菌体与细菌的碰撞频率，同时宿主细菌的微重力应激反应可能改变受体表达或细胞内过程，进一步阻碍有效感染，"赫斯补充道。换言之，在微重力环境中，噬菌体与细菌接触概率降低，且细菌可能进化出更强抗性，导致整个感染周期启动晚于地球。
微重力诱发基因突变
23天后，团队分析噬菌体基因组构成，发现其基因组普遍存在突变，但微重力环境产生了特定突变——尤其在结构和宿主互作相关基因上。这些突变改变了噬菌体感染细菌的方式。
"最令人震惊的发现不仅是噬菌体基因组出现突变，更是微重力将进化推向我们尚未完全理解的噬菌体功能区域，"赫斯表示。研究证实微重力不仅改变感染速度，还影响病毒成功感染细菌宿主时"最关键"的基因选择。
"我们才刚刚触及表面，"威斯康星大学麦迪逊分校另一位主要作者斯里瓦茨安·拉曼博士向Space.com表示，"需要在更复杂条件下开展更多实验。"
细菌同样发生进化：暴露于噬菌体的大肠杆菌积累的突变数量远超无噬菌体威胁的细菌，符合驱动进化军备竞赛的选择压力。部分显著变化集中在与外膜相关的基因上，可能改变噬菌体附着方式并增强细菌应激生存能力。
"微重力不仅减缓进程，还从感染动态到关键基因及突变层面，定性重塑噬菌体-宿主共同进化，"赫斯指出。
微重力：地球医学的新路径？
通过深度突变扫描技术，团队在噬菌体基因组中筛选出1600多个突变变体，发现微重力环境下的"优势"突变与地球样本截然不同。
"我们的结果证实微重力是独特的选择环境，能揭示地球无法捕捉的适应度图谱不同区域，"赫斯表示。研究者利用这些突变创建了改良噬菌体，并在尿路致病性大肠杆菌（与尿路感染相关的菌株）上测试——这些菌株对常规T7噬菌体攻击具有抗性。实验表明，改良病毒成功杀死了抗性细菌。
"研究发现，微重力富集的噬菌体突变体能治疗尿路致病菌并将其杀死，这表明微重力条件对地球病原体治疗具有相关性，"拉曼解释道。
这对地球细菌疾病（从沙门氏菌中毒到肺炎、败血症）的未来治疗具有重大启示，但实现进一步测试存在挑战。"在国际空间站运行这些实验绝非易事，"拉曼补充道，"需要数年规划，面临大量后勤难题，常规化执行实际操作难度很大。"
太空飞行的未来展望？
从微观到宏观，这些结果表明太空微生物不会保持静态，而会以微重力特有的方式适应进化。
"我们的数据清晰显示，微生物能在微重力下快速且以意想不到的方式适应，"赫斯补充道，"原则上，相同压力可能富集我们在地球担忧的特性，包括药物抗性或毒力改变。这是未来实验应主动验证的合理进化轨迹，需持续监测抗生素敏感性、应激反应及竞争互作。"
这些适应是否真会对长期太空任务中的人类构成威胁？拉曼认为需更多测试："病原体持续进化。我认为应开展更多研究，确认细菌能否在微重力下进化出更强致病性突变——本研究尚未进行此类实验。但细菌极具韧性且持续进化，我不会排除这种可能性，仍需通过严谨实验验证：细菌能否在国际空间站条件下成为病原体？"
未来太空研究的一个方向可能是人体微生物组，因空间环境下微生物组的进化机制仍不明晰。
对地球人类而言，本研究结果更为积极：微重力环境或能帮助科学家开发出杀死更多抗性细菌的噬菌体。"这些太空衍生适应度图谱的真正价值在于它们并非孤立存在。可与现有地球数据集融合，优化治疗用途的工程策略——这或许是最直接可行的实践启示，"赫斯总结道。
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