2020年9月，威斯康星大学麦迪逊分校的生物化学家将一个装有病毒和细菌的小盒子发射到太空，研究肠道等部位的微生物如何应对外太空环境。如今，这些细菌和噬菌体（感染细菌的病毒）已返回麦迪逊，揭示了太空旅行可能如何影响肠道微生物组，并为治疗地球上的抗生素耐药性细菌感染提供了线索。
"我们的实验目的不仅是了解细菌和噬菌体在太空旅行时的变化，更关注太空获得的突变对地球的实际意义，"领导该项目的生物化学教授瓦茨安·拉曼表示。研究人员的发现已发表在《PLOS生物学》杂志上。
噬菌体-细菌关系对维持人类肠道微生物组的健康平衡至关重要：肠道细菌会进化以躲避感染，而噬菌体则相应突变以寻找新的感染方式。拉曼实验室正利用这种关系设计能够对抗细菌感染的噬菌体。
"太空是如此独特的环境，"拉曼实验室博士后研究员、论文主要作者菲利普·赫斯表示，"它可能揭示出在地球上被隐藏的噬菌体进化可能性。"
随着科学家和宇航员在太空停留时间延长，以及休闲太空旅行的兴起，了解微重力环境如何影响细菌与噬菌体之间的进化互动变得至关重要。持续微重力在地球上难以实现，但在国际空间站这个太空国家实验室中，研究人员能在近乎无重力的理想条件下开展研究。
"在地球上，我们知道噬菌体会在环境中移动并寻找细菌宿主进行感染，随后进入并杀死细菌，"拉曼解释道，"但在外太空，这些互动规则是否仍然适用？如果没有重力，噬菌体在环境中移动的方式将完全不同，它们攻击细菌的方式也会改变。"威斯康星大学麦迪逊分校科学家设计了携带数千种不同突变的噬菌体送入太空。国际空间站科学家将噬菌体与细菌的不同组合共同培养25天，部分样本则单独培养。回到麦迪逊后，研究人员在地球重力条件下重复了相同实验。
设计太空实验
设计太空实验要求研究人员严格使用能在有限空间内容纳的材料。为确保研究可行并符合国际空间站的安全标准，团队与生物科技公司Rhodium Scientific合作。
赫斯和拉曼实验室前研究生楚提卡恩·奇通萨武苏克比较了太空培养与地球培养的噬菌体和细菌，发现关键差异：在太空环境中，噬菌体和细菌获得了新型突变——细菌表面的蛋白质发生改变，而噬菌体随之突变以结合这些改变后的表面。因此，使噬菌体能在太空感染细菌的突变与地球上的突变不同。
拉曼实验室随后设计了在太空中表现成功的多种突变噬菌体，测试其对抗地球细菌病原体的效果，让这些新型噬菌体对抗导致尿路感染的细菌。目前，90%以上的尿路感染致病菌已对至少一种抗生素产生耐药性。
"我们发现，这些新型噬菌体突变组合在地球上杀灭尿路感染病原体的效果非常显著，"拉曼表示，"这相当令人惊讶。为什么太空实验能指导我们在地球上设计噬菌体疗法？我们尚不完全清楚，但一个假设是：使尿路感染细菌承受压力的环境因素，可能模拟了细菌在微重力下经历的压力，导致其表面蛋白质相似。"
通过首次实验的太空之旅积累经验后，研究人员正致力于回答更宏大的问题——未来太空发射的实验仍需装入同样大小的小盒子中。
"起初，我们只是在外太空提出基础微生物学问题，"赫斯表示，"现在，我们已准备好研究更接近人类微生物组复杂性的多种噬菌体和细菌系统。太空环境中会发生哪些新型互动？我们能从中为地球学习到什么？"
【全文结束】
