Információ

1.3.1: Alapvető mikrobiológia – biológia

1.3.1: Alapvető mikrobiológia – biológia


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

A mikrobiológia a mikroszkopikus élőlények tanulmányozása, valamint az emberekkel és a környezettel való kölcsönhatásuk.

Tanulási célok

  • Értékelje az alapvető mikrobiológia tudományát; megérteni a mikrobiológia alapvető aspektusait.

Főbb pontok

  • A mikrobiológia azokra a szervezetekre összpontosít, amelyek nagyon kicsik, különféle eszközök segítségével, amit a mikrobiológusok végeznek el.
  • Mivel a mikrobák nélkülözhetetlenek az emberi élethez, és mivel a mikrobák emberi betegségeket okozhatnak, ezért nagyon fontos a mikrobiológia.
  • Az egyes mikrobák száma és a mikrobák száma a Földön és a Földön megdöbbentő arányú.

Kulcsfontossagu kifejezesek

  • mennyiségi meghatározása: A mennyiségi meghatározás folyamata.
  • immunológia: Az orvostudomány azon ága, amely a szervezet immunrendszerét vizsgálja.
  • kulturálható: Kulturálható (megfelelő környezetben termeszthető).

A mikrobiológia a mikroszkopikus méretű organizmusok (mikrobák) tanulmányozása, amelyek meghatározása szerint minden olyan élő szervezet, amely vagy egyetlen sejt (egysejtű), sejtcsoport, vagy egyáltalán nincs sejtje (acelluláris). Ide tartoznak az eukarióták, például a gombák és protisták, valamint a prokarióták. A vírusokat és prionokat is tanulmányozzák, bár nem sorolják szigorúan az élő szervezetek közé.

A mikrobiológia általában az immunrendszer vagy az immunológia tanulmányozását foglalja magában. Általában az immunrendszerek kölcsönhatásba lépnek a patogén mikrobákkal; ez a két tudományág gyakran keresztezik egymást, ezért sok főiskola kínál páros végzettséget, például „Mikrobiológia és immunológia. ”

A mikrobiológia egy tág fogalom, amely magában foglalja a virológiát, mikológiát, parazitológiát, bakteriológiát, immunológiát és más ágakat. A mikrobiológus a mikrobiológia és a kapcsolódó témák specialistája. A mikrobiológiai eljárásoknak általában aszeptikusnak kell lenniük, és különféle eszközöket kell használniuk, például fénymikroszkópokat foltok és festékek kombinációjával. Mivel a mikrobák az emberi élet legtöbb aspektusához feltétlenül szükségesek (beleértve a levegőt, amit belélegzünk és az elfogyasztott táplálékot), és számos emberi betegség lehetséges okozói, a mikrobiológia kiemelkedően fontos az emberi társadalom számára.

A mikrobiológiai kutatások bővülnek, és az elkövetkező években a mikrobiológusok iránti kereslet növekedni fog a munkaerő iránt. Becslések szerint az adott környezeti mintában jelenlévő mikroorganizmusok mindössze körülbelül egy százaléka tenyészthető, és a Földön élő baktériumsejtek és fajok számát még mindig nem lehet meghatározni. A legújabb becslések azt mutatják, hogy ez a szám rendkívül magas lehet, öt vagy harminc hatványa. Bár a mikrobákat közvetlenül megfigyelték több mint háromszáz évvel ezelőtt, funkcióik pontos meghatározása, mennyiségi meghatározása és leírása korántsem teljes, tekintettel a genetikai és tenyészettől független eszközökkel kimutatható elsöprő sokféleségre.


Biotechnológia

Biotechnológia a biológia széles területe, amely magában foglalja az élő rendszerek és szervezetek felhasználását termékek fejlesztésére vagy előállítására. Az eszközöktől és alkalmazásoktól függően gyakran átfedésben van a kapcsolódó tudományterületekkel. A 20. század végén és a 21. század elején a biotechnológia új és változatos tudományokkal bővült, mint például a genomika, a rekombináns géntechnikák, az alkalmazott immunológia, valamint a gyógyszeres terápiák és diagnosztikai tesztek fejlesztése. A kifejezés biotechnológia Karl Ereky használta először 1919-ben, ami azt jelenti, hogy élő szervezetek segítségével nyersanyagokból állítanak elő termékeket.


Mikrobiológia és ápolás

Ebben a cikkben az ápolással kapcsolatos mikrobiológiáról fogunk beszélni. Az alábbi cikk segít megérteni a következő dolgokat: - 1. Bevezetés az ápolás mikrobiológiájába és 2. A mikrobiológia történeti vázlata.

1. Bevezetés az ápolás mikrobiológiájába:

A mikrobiológia (gr. mikros – kicsi, biosz – élet, logosz – tudomány) a szabad szemmel láthatatlan apró élőlények, a mikrobák tudománya. Tanulmányozza a mikroorganizmusok életének és fejlődésének törvényeit, valamint azokat a változásokat, amelyeket az állati és növényi szervezetekben, valamint a nem szégyenlős anyagokban idéznek elő.

A modern társadalom követelményei szerint a 19. század második felében a mikrobiológiát általános, mezőgazdasági, állatorvosi, orvosi és ápolási mikrobiológiára differenciálták. A modern orvosi mikrobiológia kiterjedt tudománnyá vált, és a bakteriológiára – a patogén baktériumok tudományára (görög baktériumok – rúd) oszlik: virológiára – a fertőző vírus szerológiájára – az antigén és az antitest közötti reakciók vizsgálatára – az emberre patogén gombák protozoológiájára. —kórokozó protozoa helmintológia vizsgálata — helminták (férgek) entomológiájának vizsgálata — emberre betegségeket terjesztő rovarok (vektorok) vizsgálata parazitológia — paraziták (protozoonok és férgek) vizsgálata. Ezen túlmenően az orvosi mikrobiológia magában foglalja a fertőzés és az immunitás mechanizmusainak tanulmányozását, a fertőző betegségek specifikus terápiájának és profilaxisának módszereit.

Az ápolási mikrobiológia az orvosi mikrobiológiai ismeretek alkalmazása a betegek ágya mellett az ápolás során. A kórházban és a közösségben folyó ápolás kiemelt fontosságú az egészségfejlesztés szempontjából, ezt tekintik a közegészségügy gerincének. A tökéletesség eléréséhez ebben a szakmában az ápolóknak alapos ismereteket kell szerezniük az ápolási mikrobiológiáról, mivel az ápolónő egy kölcsönösen összefüggő szakma, amelyet az ápolástudomány legújabb tudományos és technológiai fejlődése befolyásol.

2. A mikrobiológia történeti vázlata:

Az ókorban, a civilizáció kezdetén az ember bizonyos, a mikroorganizmusok élettevékenysége által kiváltott folyamatokat alkalmazott, mint például a tej, bor, gyümölcslé erjesztése stb. Avicenna (i.sz. 980-1037) úgy gondolta, hogy minden fertőző betegséget apró élőlények okoznak. szabad szemmel láthatatlan, levegőn és vízen keresztül terjed.

Az első személy, aki látta és leírta a mikrobákat, egy holland tudós volt, A. Leeuwenhoek 1632-1723. Ő maga készített egyszerű, 160-300-szoros nagyítású lencséket. 1678-ban tette közzé levelét az “animalcule viva”— élő állatokról, amelyeket vízben, ürülékben, infúziókban és fogkaparékban figyelt meg.

A mikrobák felfedezése mellett pontosan megrajzolta a mikrobákat. Felfedezése volt a mikrobapopuláció vizsgálatának kiindulópontja. E csodálatos vizsgálat után több mint 150 év telt el, mire a fertőző betegségek kórokozóinak felkutatása sikeresen befejeződött.

A járványos betegségek elleni küzdelem gyakorlati problémáit a mikrobiológiai ismeretek oldották meg. 1798-ban egy angol orvos, Edward Jenner (1749-1823) bebizonyította, hogy az emberek tehénhimlő elleni oltása megvédi őket a himlőtől. Pasteur (1880-1890) vakcinákat fejlesztett ki szárnyas kolera, lépfene, veszettség ellen. Ez a felfedezés nagyon hasznos volt az állatok és az emberek ezen betegségeinek leküzdésében.

A tizenkilencedik század első felében fedezték fel a betegségek kórokozóit. 1839-ben D. Schoenlein megállapította, hogy a favust patogén gomba okozza. 1843-ban D. Gruby feltárta a trichophytosis (gyűrű és shyworm) kórokozóját. 1849-1854-ben A. Pollender, C. Davaine, F. Bravell fedezte fel a lépfene bacillust.

A tizenkilencedik század második felében jobb mikroszkópok segítségével fejlesztették ki a mikroszkópos módszereket. A mikroorganizmusok vizsgálata során nagy figyelmet fordítottak a biokémiai folyamatokra, a mikrobák szerves szubsztrát fermentációs képességére.

Louis Pasteur (1822-1895), francia tudós, vegyész és mikrobiológus bebizonyította, hogy az alkoholos erjedés és a rothadás a mikrobák tevékenységének köszönhető. Kutatta a tyúkkolera, lépfene és veszettség kórokozóit, és vakcinákat készített. A mikroorganizmusok mindenütt jelenlévő természete miatt Pasteur megvédte a tápközeget a mikrobiális szennyeződéstől, és bebizonyította, hogy nem létezik élő mikroorganizmusok spontán generációja.

Felfedezései sok tudóst vonzottak felé. Joseph Lister (1827-1912) angol sebész, Pasteur által leírt mikrobiális fertőzés alapján bevezette a sebészetbe az antiszeptikumok (a sebek kémiai fertőtlenítőszerekkel történő fertőtlenítése) elveit.

A német orvos, Robert Koch (1843-1910) részletesen megvizsgálta a sebfertőzéseket, és kidolgozott egy módszert a patogén baktériumok tiszta tenyészetben történő izolálására, megtámadta a lépfene problémáját, kidolgozta a baktériumok festésének módszerét, és leírta a sebfertőzések módszerét is. szilárd táptalajon történő termesztés. Mikrobiológiai iskolát alapított, tanítványai K. Ebarth, G. Gaffksy, K. Klebs, F. Loeffler, S. Kitasato és sokan mások voltak.

1874-ben Hansen leírta a lepra bacillusát. 1880-ban Pasteur izolálta a tyúkkolera bacilusát, Eberth pedig a tífusz bacillust. A staphylococcusról megfelelő leírást készített Ogston (1881). Koch (1882) felfedezte a tuberkulózisbacillust. 1885-ben Frankel izolálta az Escherich pneumococcust, a Bacillus vastagbélt. Nicolaier megfigyelt egy tetanuszbacillust, amelyet később Kitasato termesztett 1889-ben. Welch és Nuttall leírta a Clostridium welchii néven ismert anaerob bacillust.

Kitasato és Yersin 1894-ben egymástól függetlenül leírták a pestisbacillust, amelyet ma Yersinia pestis néven ismernek. 1896-ban Van Ermengem leírta a CI. botulinum, mint ételmérgezés okozója. 1897-ben Bang felfedezte a szarvasmarha abortuszt okozó bacillust. Így a tizenkilencedik század végére nagyon sokféle mikroorganizmust azonosítottak és találtak összefüggést az emberi betegségekkel.

Joseph Lister, a glasgow-i sebészet professzora kidolgozott egy módszert a baktériumtenyészet hígítására és szubkultúrák sorozatának elkészítésére kis mennyiségű eredeti folyadékkal, amely egyetlen baktériumsejtet eredményezett, így Lister volt az első bakteriológus, bár alapvetően sebésznek, hogy biztosan tiszta baktériumkultúrát kapjunk.

Így a Pasteur által elindított és Koch által kiterjesztett mikrobiológiai forradalom messze túlterjedt az orvostudomány területén. 1875 és 1900 között nem történt számottevő előrelépés a betegségek bakteriológiájának ismeretében, mivel a Pasteur és Koch által kifejlesztett technikákat ebben az időszakban csak nagyon széles területen alkalmazták.

Az immunitás vizsgálata (a bakteriológia ága), amely Pasteur csirkekolerával, lépfenével és veszettséggel kapcsolatos tanulmányaiból származik, számos bakteriológust bevonzott. Metchnikoff’ (1845-1916) fertőzések sejtreakcióira vonatkozó vizsgálataiból, valamint Buchner, Nuttall, Von Behring (1890), Ehrlich (1854-1915), Bordet és mások munkáiból továbbfejlesztett laboratóriumi diagnosztikai módszerek. fertőző betegségeket dolgoztak ki, és vakcinákat szereztek be a bélláz, a kolera, a pestis és más betegségek ellen.

A huszadik században kialakult a fertőző betegségek specifikus profilaxisának területe. Ramon (1924-1925) tökéletesített egy módszert az antitoxinok (a formalin, azaz a toxoid által ártalmatlanná tett toxinok) előállítására. Ezzel a toxoiddal (vakcinával) sikeresen elvégezték a diftéria és tetanusz elleni immunizálást.

A tuberkulózis elleni oltóanyag készítéséhez élő, legyengített tuberkulózis-kórokozót használtak (Calmette és Guerin, 1919). Hasonlóan a pestis elleni oltóanyagot (Giard és Robic, 1931), a tularemia elleni oltást (Gaisky, 1939) és a poliomielitisz (poliomyelitis) is. 1954-1958) készültek.

A modern orvoslás nagy sikert ért el a fertőző betegségek kezelésében, a Salvarsan (Ehrlich), a bakteriofág (d’ Herelle), a szulfonamid (Domagk et al), a penicillin (Flemingetal), a streptomycin (Waksman és mtsai) bevezetése miatt. Az öröklődés és a variációk biokémiai mechanizmusait a baktériumok és vírusok genetikája tárta fel. Egy új tudományterület – a molekuláris biológia – a baktériumok és vírusok genetikájából indult ki.

A fertőző betegségek, epidemiológia, virológia, immunológia, sebészet, higiénia stb. tudományának fejlődése a mikrobiológia sikerének köszönhető. Határozottan kijelenthető, hogy az orvostudomány nem fejlődhetett volna a mikrobiológia fejlődése nélkül.


Mikrobiológiai Éves Szemle

2020-as folyóirat-hivatkozási jelentések kiadása

A Clarivate Analytics által kiadott Journal Citation Reports® (JCR) 2020-as kiadása a 2019-es Web of Science forrásadatok hatás- és befolyási mutatóinak kombinációját tartalmazza. Ez a mérőszám egy adott évben egy folyóirat idézettségeinek arányát adja meg az előző két év idézhető tételeihez viszonyítva.

Az Annual Reviews 2020 Edition JCR Rankings letöltése Excel formátumban.

Éves felülvizsgálata: Rang kategória név Kategóriában rangsorolt ​​folyóiratok Hatásfok Idézett Half-Life Azonnali index
Analitikai kémia 6 Kémia, analitikai 86 7.023 7.1 2.042
Analitikai kémia3Spektroszkópia427.0237.12.042
Állatbiológiai tudományok2Állattan1686.0914.13.125
Állatbiológiai tudományok17Biotechnológia és alkalmazott mikrobiológia1566.0914.13.125
Állatbiológiai tudományok1Mezőgazdaság-, tej- és állattudomány636.0914.13.125
Állatbiológiai tudományok2Állatorvostudomány1426.0914.13.125
Antropológia6Antropológia903.17515.60.240
Csillagászat és asztrofizika1Csillagászat és asztrofizika6832.96310.85.133
Biokémia3Biokémia és molekuláris biológia29725.78712.34.933
Orvosbiológiai mérnöki2Orvosbiológiai mérnöki8715.5419.01.524
Biofizika3Biofizika7111.6856.63.130
Rákbiológia53Onkológia2445.4132.02.826
Sejt- és fejlődésbiológia13Sejtbiológia19514.66710.50.552
Sejt- és fejlődésbiológia1Fejlődésbiológia4114.66710.50.552
Kémiai és biomolekuláris mérnöki tudomány1Kémia, alkalmazott719.5615.60.941
Kémiai és biomolekuláris mérnöki tudomány5Mérnöki, Vegyészeti1439.5615.60.941
Klinikai pszichológia1Pszichológia, klinikai (társadalomtudományok)13113.6927.93.304
Klinikai pszichológia4Pszichológia (tudomány)7713.6927.93.304
Kondenzált anyag fizika6Fizika, kondenzált anyag6914.8334.97.273
Kriminológia1Kriminológia és penológia696.3481.40.955
Föld- és bolygótudományok4Földtudományok, Multidiszciplináris2009.08914.22.727
Föld- és bolygótudományok5Csillagászat és asztrofizika689.08914.22.727
Ökológia, evolúció és szisztematika2Evolúciós biológia5014.04117.40.440
Ökológia, evolúció és szisztematika2Ökológia16814.04117.40.440
Közgazdaságtan39Közgazdaságtan3713.5916.40.686
Rovartan1Rovartan10113.79614.34.762
Környezet és erőforrások5Környezettudomány (társadalomtudomány)1238.0659.60.563
Környezet és erőforrások14Környezettudomány (tudomány)2658.0659.60.563
Pénzügyi gazdaságtan36Üzlet, pénzügy1082.0577.00.167
Pénzügyi gazdaságtan107Közgazdaságtan3712.0577.00.167
Áramlástan1Fizika, folyadékok és plazmák3416.30615.49.190
Áramlástan1Mechanika13616.30615.49.190
Élelmiszertudomány és -technológia3Élelmiszertudomány és technológia1398.9605.22.615
Genetika5Genetika és öröklődés17711.14610.80.500
Genomika és humángenetika15Genetika és öröklődés1777.2439.10.955
Immunológia4Immunológia15819.90010.75.875
Jog- és Társadalomtudomány18Törvény1542.5887.70.233
Jog- és Társadalomtudomány20Szociológia1502.5887.70.233
Nyelvészet23Nyelvészet1872.0263.31.000
Tengertudomány2Geokémia és geofizika8516.3596.67.050
Tengertudomány1Tengeri és édesvízi biológia10616.3596.67.050
Tengertudomány1Óceántan6616.3596.67.050
Anyagkutatás19Anyagtudomány, Multidiszciplináris31412.53110.62.267
Orvosság6Orvostudomány, kutatás és kísérleti1389.7168.63.829
Mikrobiológia9Mikrobiológia13511.00013.70.967
Idegtudomány9Idegtudományok27112.54713.62.130
Nukleáris és részecsketudomány2Fizika, Atommag198.7789.81.000
Nukleáris és részecsketudomány3Fizika, részecskék és mezők298.7789.81.000
Táplálás2Táplálkozás és dietetika8910.89714.20.714
Szervezetpszichológia és szervezeti viselkedés2Pszichológia, alkalmazott8410.9234.41.222
Szervezetpszichológia és szervezeti viselkedés2Menedzsment22610.9234.41.222
Patológia: A betegség mechanizmusai1Patológia7816.7507.26.500
Farmakológia és toxikológia1Toxikológia9211.25011.45.793
Farmakológia és toxikológia5Farmakológia és gyógyszertár27011.25011.45.793
Fizikai kémia19Kémia, Fizika15910.63812.13.667
Fiziológia2Fiziológia8119.55611.14.769
Fitopatológia4Növénytudományok23412.62312.70.478
Növénybiológia1Növénytudományok23419.54013.04.586
Politológia8Politológia1804.00011.30.750
Pszichológia2Pszichológia (tudomány)7718.15612.36.367
Pszichológia3Pszichológia, multidiszciplináris (társadalomtudomány)13818.15612.36.367
Közegészségügy2Nyilvános, környezetvédelmi és foglalkozás. Egészségügy (társadalomtudomány)17016.4639.53.880
Közegészségügy3Nyilvános, környezetvédelmi és amp. Egészség Tudomány)19316.4639.53.880
Erőforrás-gazdaságtan70Közgazdaságtan3712.7455.80.167
Erőforrás-gazdaságtan48Környezettudomány (társadalomtudomány)1162.7455.80.167
Erőforrás-gazdaságtan4Agrárgazdaságtan és -politika (tudomány)212.7455.80.167
Szociológia 1Szociológia1506.40017.70.767
Statisztika és alkalmazása4Matematika, interdiszciplináris alkalmazások1065.0953.21.350
Statisztika és alkalmazása2Statisztika és valószínűség1245.0953.21.350
Virológia2Virológia378.0213.61.172
Látástudomány34Idegtudományok2715.8973.40.391
Látástudomány5Szemészet605.8973.40.391

A FOLYÓIRAT CÉLJA ÉS HATÁLYA: Az Mikrobiológiai Éves Szemle, 1947 óta publikálva, a mikrobiológia területén elért jelentős fejleményeket fedi le, beleértve a baktériumokat, archaeákat, vírusokat és egysejtű eukariótákat.


Speciális cookie-kat használunk

Az alábbi lista azonosítja az általunk használt sütiket, és elmagyarázza, hogy milyen célokra használjuk őket. Időről időre frissíthetjük az ebben a részben található információkat.

  • JSESSIONID: Ezt a cookie-t az alkalmazásszerver használja egyedi felhasználói munkamenet azonosítására.
  • registrarToken: Ez a süti arra szolgál, hogy megjegyezze azokat a tételeket, amelyeket Ön a bevásárlókosárba helyezett
  • területi beállítás: Ez a süti a területi és nyelvi beállítások emlékezésére szolgál.
  • cookieconsent_status: Ez a cookie arra szolgál, hogy emlékezzen, ha Ön már elvetette a cookie-hoz való hozzájárulásról szóló értesítést.
  • _ga_UA-########: Ezeket a sütiket arra használjuk, hogy információkat gyűjtsenek arról, hogy a látogatók hogyan használják webhelyünket. Az információkat jelentések összeállítására és a weboldal fejlesztésére használjuk. A cookie-k anonim formában gyűjtenek információkat, beleértve a webhely látogatóinak számát, a látogatók honnan érkeztek az oldalra, és milyen oldalakat látogattak meg. Ezeket az anonimizált látogatói és böngészési információkat a Google Analytics tárolja.

Biológia

A két ágyi poloskafaj (Insecta: Hemiptera: Cimicidae), amelyek általában az emberi fertőzésekben érintettek: Cimex lectularius és C. hemipterus. Bár ritka, az emberek véletlenül gazdái lehetnek Cimex denevér- és madárfajok.

Életciklus:

Felnőttek és minden nimfa stádiumban Cimex spp. vérét kell venni melegvérű gazdáktól, amelyek általában emberek C. lectularius és C. hemipterus, bár emberi gazda hiányában más emlősök és madarak is felhasználhatók. A nőstény ágyi poloskák felnőtt életük során naponta körülbelül öt tojást tojnak le védett helyen (matrac varratok, hasadékok a dobozrugókban, a lábazat alatti terek stb.). A tojások körülbelül 4-12 nap alatt kelnek ki első stádiumban lévő nimfákká, amelyeknek vért kell venniük, mielőtt a következő szakaszba kerülnének. A poloskák öt nimfa stádiumon mennek keresztül ( , , , , ), mindegyik vérlisztet igényel, mielőtt a következő szakaszba vedlik, az ötödik szakasz pedig felnőtté válás. A nimfák, bár szárnyrügyeik hiányoznak, a felnőttek kisebb változataira hasonlítanak. A nimfák és a felnőttek körülbelül 5-10 percet vesznek igénybe, hogy teljes vért kapjanak. A felnőttek több héten keresztül több vért is fogyaszthatnak, feltételezve, hogy melegvérű gazda áll rendelkezésre. A párzás a gazdaszervezeten kívül történik, és a párzás egy egyedülálló formáját foglalja magában, amelyet &lsquotraumatic inszemination&rsquo-nak neveznek, amikor is a hím külső nemi szervével áthatol a nőstény hasfalán, és megtermékenyül a testüregébe. A kifejlett egyedek 6-12 hónapig élnek, és hosszú ideig életben maradhatnak etetés nélkül.


MIKROBIOLÓGIAI TANULMÁNYOK ŰRKÖRNYEZETBEN VAGY A KÜLSŐ TÉR FELTÉTELÉT SZIMULÁLÓ LÉTESÍTMÉNYEK HASZNÁLATA

A bioszféra felső határa

A légkör még 30 km-es magasságig is számos kihívást jelent az élet számára (225). A napsugárzás abszolút mennyisége, valamint az UVB és UVC arányos hozzájárulása növekszik (​ ábra (3. ábra), 3 ), mindkettő különösen veszélyes a biomolekulákra, különösen a nukleinsavakra és a fehérjékre, amelyek besugárzási csúcsa abszorpciók 260 és 280 nm-en (​ ábra (1. ábra). 1 ). Ezenkívül a Föld felszíne felett 29 km-re lévő alacsony hőmérséklet és nyomás hasonló a Marson tapasztalhatóhoz, és problémákat okoz a fagyás és a kiszáradás miatt. Végül a tápanyagok elérhetősége és a légkör gáznemű összetétele további kihívásokat jelent az élet számára.

A levegőben szálló mikrobák túlélése alapvetően két független tényezőtől függ: (i) a mikrobát a levegőben elszenvedett károsodás mértékétől, és (ii) attól, hogy a kárt milyen mértékben tudja helyrehozni a sérült mikroba (az áttekintést lásd a hivatkozásban). 43).

A levegőben szálló mikrobák túlélését nem szabad összetéveszteni a levegőben terjedő növekedéssel és osztódással. Valójában az egyik kritikus kérdés, amelyre még egyértelműen meg kell válaszolni, a következő: a mikrobák metabolizálódnak, szaporodnak és osztódnak a levegőben? Ha igen, akkor az atmoszféra inkább valódi élőhelynek tekinthető, nem pedig csak olyan helynek, ahol átmeneti beavatkozók. Bár azt közölték Serratia marcescens sejtosztódáson mennek keresztül, miközben egy tápanyagtartalmú, 2-6 x003 milliárd cm átmérőjű vizes cseppben (52, 53, 54, 240) az eredmények nem egyértelműek. A glükóz, a tápközeg alkotóeleme, egy redukáló cukor, amely nem enzimatikus Maillard-reakciókon megy keresztül, amelyek O-t fogyasztanak.2 és felszabadítja a CO-t2, ami megzavarta a tanulmány eredményeit, amely O2 fogyasztás és CO2 termelés, mint az anyagcsere közvetett mutatói (44).

Tekintettel a környezet látszólagos ellenségességére, a Föld atmoszférája közvetlenül a felszín felett számos levegőben szálló mikroorganizmust tartalmaz, amelyekről úgy gondolják, hogy a talajból, tavakból, óceánokból származnak (20, 75, 82, 127, 196, 204, 221, 271), állatok (21), növények (151), szennyvíztisztító telepek (1, 168, 182), állati vakolatok (237), szilárdhulladék-visszanyerő rendszerek (145), szennyvízpermetező öntözőhelyek (25), valamint fermentációs és egyéb biotechnológiai eljárások ( 36, 43). Úgy tűnik, hogy a légkörből kinyert életképes, levegőben szálló mikrobák száma szezonálisan változik, a legnagyobb számot nyáron és ősszel, a legalacsonyabbat pedig télen (124, 148, 234) észlelték. Tekintettel a levegőben szálló mikrobák korábban felsorolt ​​lehetséges forrásaira, amelyek jelentősen változnak az évszakok függvényében, a megfigyelt változások összefügghetnek az éghajlattal, de ez bizonytalan. A levegőben szálló szervezetek által megtehető távolságokat a középső szélességi fokokra vonatkozóan elemezték, modellezték (pl. 138, 148, 149), és azt találták, hogy néhány km-től több ezer km-ig terjednek. A légkörben lévő mikrobák számának és típusának időbeli és térbeli eltéréseit is találták (pl. lásd a 67. és 234. hivatkozást). Például nagyobb számú életképes gombát találtak az Egyesült Államok nyugati és délnyugati részén, mint az északkeleti régióban (157, 234). Mancinelli és Shulls (157) statisztikailag szignifikáns pozitív korrelációt mutatott ki a városi levegőből izolált életképes baktériumok összlétszáma és a lebegő részecskék koncentrációja között, és azt sugallták, hogy a levegőben lévő baktériumokat a levegőben adszorbeált víz megvédheti a kiszáradástól. ezeknek a szuszpendált részecskéknek a felületére.

A felső atmoszféra, azaz a felső troposzféra és az alsó sztratoszféra (5-20 km) biológiájával foglalkozó tanulmányok az 1800-as évek végére nyúlnak vissza. A kevés mintavételi lehetőség miatt azonban ezeknek a tanulmányoknak kevés a száma. A legtöbb esetben léggömböket használtak ezen magasságok eléréséhez (223). Az összegyűjtött organizmusok közé tartoznak a gombák és spóraképző baktériumok (lásd például a 46., 88. és 223. hivatkozást). Meg kell jegyezni, hogy ezeket a korai tanulmányokat nem ellenőrizték megfelelően, és a közölt adatok nem biztos, hogy pontosan reprezentálják azt, ami a felső légkörben volt. A későbbi vizsgálatok a mikrobák szélesebb választékáról számoltak be, beleértve a fajokat is Micrococcus és Staphylococcus és rokon fajok Deinococcus, valamint különféle pigmentált baktériumok (28, 74, 83, 84, 120, 258). Meteorológiai rakétákkal gombákat és pigmentált baktériumokat izoláltak akár 77 km-ről is, ami a legmagasabb tengerszint feletti magasság, ahonnan mikrobákat izoláltak (120). A felső légkör biológiájáról nemrégiben készült tanulmányt végeztek egy India felett repülő ballon segítségével (235). A levegőmintákat a Föld felszíne felett 24, 28 és 41 km magasságból gyűjtötték kriogén mintavevő és Millipore szűrők segítségével. Csak négy faja Bacilus izoláltak ebben a vizsgálatban. A korábbi vizsgálatok azonban mind tenyésztési módszereket alkalmaztak a mikrobaszám meghatározására. Becslések szerint a tenyésztési módszerek a teljes mikrobiális flóra mindössze 0,1 és 10% közötti részét teszik lehetővé bármely adott környezetben (79a). Ezért azt feltételezik, hogy számos olyan mikroba létezhet a felső légkörben, amelyek nem képesek tenyészteni, és ezért ezekben a vizsgálatokban nem veszik észre és nem veszik figyelembe.

A gravitáció szerepe az alapvető biológiai folyamatokban

Az 𠇎lső mikrobiológiai kísérletek űrben” eredményeit Zhukov-Verezhnikov et al. (269) az alábbiak szerint: “on az űrhajó pályájához hasonló repülések Vostok I, gyakorlatilag nincs hatása az izolált sejtekre elsődlegesen hatni képes tényezőknek.” Pollard (201) korai elméleti elemzései hasonlóképpen arra a következtetésre jutottak, hogy a mikrogravitáció küszöbértéke a sejtekre gyakorolt ​​hatás eléréséhez körülbelül 10 μm átmérőjű volt, ami nagyobb, mint a legtöbb baktériumsejt. Az ezt követő évtizedek szakirodalmának áttekintése azonban feltárja, hogy a mikrobiális növekedésben és viselkedésben számos különbséget figyeltek meg az űrrepülés eredményeként, és az eredmények feltehetően a súlytalanság valamilyen aspektusának tulajdoníthatók (132, 146, 186, 200, 257).

Míg ezeknek a kísérleteknek a többsége túlnyomórészt hasonló alapvető válaszokról számolt be számos baktériumfaj esetében, nevezetesen csökkent késleltetési fázisról és megnövekedett végső sejtpopuláció számról az űrben, a tipikus eredményektől eltérő, megmagyarázhatatlan ellentmondásokról számoltak be a különböző kutatók az évek során. . Egy érdekes tendencia, amelyet az irodalom legutóbbi részletes elemzése azonosított, azt sugallja, hogy a sejtmotilitás lehet a kulcsfontosságú változó, amely felelős a látszólag eltérő eredményekért (16). Az eredményeket a sejtmozgás szempontjából, amely paraméter nem mindig egyértelműen jelez, és néha a táptalaj függvénye, azt találták, hogy a nem mozgó baktériumsejtekkel végzett kísérletek a növekedési kinetika jellemzően megfigyelt eltéréseiről számoltak be, míg a mozgékony törzseket használó kísérletek hajlamosak voltak. arra a következtetésre jutni, hogy az űrből származó hatások nem történtek. Ez az összefüggés betekintést enged a mögöttes ok-okozati mechanizmusokba, amelyek elméletileg egy gravitáció által kiváltott eseményre vezethetők vissza. Motilitás hiányában azt javasolják, hogy a sejtet körülvevő folyadék nyugalmi állapotban maradjon, ezáltal csökkenjen a tömegátadás a szuszpendált sejt és a folyadék környezete között (135). Ez viszont a sejtet körülvevő folyadék megváltozott kémiai összetételéhez vezethet, ami ennek megfelelően specifikus biológiai választ vált ki. Feltételezhető, hogy a motilitással összefüggő flagelláris hatás elegendő ahhoz, hogy a sejt körüli nyugalmi határréteget összekeverje, így előre láthatóan felszámolja a súlytalanság által okozott halmozott hatást. Legalább egy korábbi tanulmány közvetlenül tesztelte ezt a hipotézist (248), és az eredmények megerősítik a fenti magyarázatot.

Ezt a megváltozott biofizikai kapcsolatot a sejt és környezete között gyakran az űrrepülés közvetett hatásának nevezik. Mint ilyen, nem mond ellent a korábbi előrejelzéseknek, amelyek szerint a baktériumok túl kicsik ahhoz, hogy a mikrogravitáció közvetlenül befolyásolja őket, hanem kiterjeszti a gravitációtól függő jelenségeket kifelé, és magában foglalja a sejtet és a környező környezetet, mint komplex rendszert. Bár a pontos hatásmechanizmusokat még nem határozták meg teljesen, a javasolt gravitáció által vezérelt eseménykaszkád így összegezhető: (i) kezdve a sejtre és környezetére ható megváltozott fizikai erővel a mikrogravitáció hatására (a &#). x0201cgravitációs trigger”), ami (ii) csökkenti a tápanyagok és az anyagcsere-melléktermékek sejten belüli átvitelét a sejt felé és onnan távolodva, ami következésképpen (iii) módosított kémiai környezetnek teszi ki a sejtet, amelynek összege végül (iv) megfigyelt biológiai válaszreakció, amely eltér a normál körülmények között fellépőtől (1 × g). Az elmúlt évtizedben publikált tanulmányok eredményei további betekintést nyújtanak a mögöttes fizikai jelenségekbe, valamint e hatások genetikai terjedésébe. Ezen túlmenően az űrkutatás egyre inkább a kereskedelmi gyógyszerészeti alkalmazásokra irányul, mint például a másodlagos metabolitok (antibiotikumok) előállítása, a multirezisztens kórokozók terjedésének megfékezése, és legutóbb a vakcinák fejlesztése.

Lehetőségek a gravitációs hatások tanulmányozására. (i) Bioreaktorok az űrhajó élőhelyén belül.

Számos nemzetközi csapat fejlesztette ki és repítette a rakományok széles skáláját, hogy támogassa a sejt- és molekuláris biológiai tanulmányokat az űrhajó nyomás alatti környezetében. Általában a rendszereknek meg kell próbálniuk a lehető legnagyobb mértékben utánozni egy tipikus földi laboratórium körülményeit, miközben be kell tartaniuk a potenciálisan veszélyes biológiai minták és egyéb reagensek kezelésével és keverésével kapcsolatos biztonsági szempontokat az űrhajó élőhelyén, és ezt jelentős tömeg, teljesítmény és teljesítmény mellett teszik. mennyiségi korlátok (130). A biológiai és egyéb, átfogóbb, jelenlegi ISS kísérleti létesítmények összefoglalói a Nemzeti Repülési és Űrhivatal (NASA) és az Európai Űrügynökség (ESA) következő weboldalain érhetők el: http://generations.arc.nasa.gov/generations.php ?pgϟlt_hdw, http://www.nasa.gov/mission_pages/station/science/experiments/Facility_Cat.html és http://www.esa.int/SPECIALS/Columbus/ESAAYI0VMOC_0.html.

(ii) 1. pályán × g repülésvezérlők.

Sok esetben fedélzeti centrifugákat és hozzáillő, repüléshez hasonló földi vezérlő hardvert használnak annak érdekében, hogy lehetővé tegyék a kutatóknak a csökkentett gravitáció mint független kísérleti változó pontosabb elkülönítését. Ilyen például a lassan forgó NIZEMI centrifuga mikroszkóp (Niedergeschwindigkeits-Zentrifugén-Mikroskop), amelyet a Spacelab küldetései során használtak a gravitációs érzékelés küszöbének meghatározására egycellás rendszerekben (72). 1. pályán lévő × használata g A centrifuga, mint kontroll ideális módszer annak biztosítására, hogy a kísérleti csoport a mikrogravitáció kivételével azonos általános térkörnyezeti tényezőknek legyen kitéve. Még ez az 1 × szimuláció is g míg a pályán azonban változókat hozhat létre, például rezgést vagy tehetetlenségi nyíróerőt, amely az állandó sebességű forgásból eredő effektív mintasugár-értékek tartományán keresztül lapos fenekű tenyészedény használata esetén (255). Ennek a jelenségnek a figyelembe vételéhez az on-orbit hardvert az 1 ×-tel kell megtervezni. g A 𠇋ottom” kontrolltartály ívelt, hogy megfeleljen a centrifugált sugár ívének, ami egy újabb kísérleti változót vezet be, amelyet figyelembe kell venni az eredményekben, ha összehasonlítjuk őket egy földi alapú (igaz 1 ×) g) minták.

(iii) Földi űrrepülési analógok.

A tényleges űrrepülés mellett gyakran alkalmaznak különféle földi módszereket a súlytalanság különböző attribútumainak szimulálására. A mikrogravitáció modelljének biztosítására használt egyik leggyakoribb eszköz a klinosztát vagy egy származéka, az úgynevezett forgófalú edény (RWV) bioreaktor (87, 131). Mindkét eszköz a Föld gravitációs vonzására merőleges forgást alkalmaz, hogy hatékonyan semmisítse meg a viszkózus közegben szuszpendált részecskék vagy sejtek kumulatív ülepedését. Egyik sem képes azonban teljes mértékben reprodukálni a szerkezeti deformáció egyidejű hiányát, az intercelluláris komponensek elmozdulását vagy az extracelluláris folyadékon keresztüli csökkent tömegátadást, amelyek mind a tényleges súlytalanságban fordulnak elő. A sejt relatív “mozdulatlanságának” állapota azonban a környező ömlesztett folyadékhoz képest elméletileg elérhető klinorotációval, mivel a folyadék merev test-forgást tapasztal, és a sejtek folyamatosan felfüggesztve maradnak a folyamatos újraorientáció következtében. Ezzel szemben az RWV bioreaktor, miközben hasonlóan alacsony nyíróerejű szuszpenzióban tartja a sejteket, miközben folyamatosan átesnek a táptalajon 1 × alatt. g körülmények között, szándékosan is előidézheti a tápanyagok bejutását a tenyészetbe és a hulladékból. Ezért a klinosztátot tipikusan a pályán elérhető nyugalmi, keverés nélküli folyadékviszonyok reprodukálására használják, míg az RWV bioreaktor kívánatosan kevert, folyékony környezetet hoz létre, amely optimalizálva van a szuszpenziós tenyésztéshez és a szövetnövekedéshez anélkül, hogy rázással járó nyíróerőt indukálna. vagy keverés közben. Más technikák a megváltozott tehetetlenségi környezet feltárására még a Földön, mint például az ideiglenes szabadesés, a semleges felhajtóerő és a diamágneses levitáció (79), szintén további betekintést nyújthatnak abba, hogy a gravitáció hogyan hat a mikrobiális rendszerekre.

Bár ezen űrrepülési szimulációs technikák mindegyike lehetőséget kínál a gravitáció különböző biológiai folyamatokban betöltött szerepének elkülönítésére, olyan bonyolult kísérleti tervezési tényezőket is bemutatnak, amelyeket figyelembe kell venni az eredmények értelmezésekor. Például klinosztát vagy forgó bioreaktor használatakor a kezdeti paraméter, amelyet meg kell határozni, a megfelelő forgási sebesség. Szuszpenziós tenyészeteknél, ha a mintát túl gyorsan forgatják, a tápközegben lévő részecskék vagy sejtek kifelé, a tartály fala felé centrifugálódnak, ha pedig túl lassan forgatják, akkor egy forgatás alatt érezhetően lefelé ülepednek. szélsőséges esetben egyszerűen körbefordulnak a tartály (136) alján. Ekkor egyik feltétel sem jelenti a mikrogravitációban elért teljes nyugalmat. Ezért jelentős kutatások irányultak arra, hogy meghatározzák az optimális forgási sebességet a lebegő részecskék közel “mozdulatlan” állapotban tartásához, ahogyan azt a tényleges mikrogravitációnál tapasztalható lenne. Ha azonban a szuszpendált részecskék vagy sejtek különböző méretűek és/vagy sűrűségűek, akkor a forgási sebességet nem lehet egy adott ülepedési sebességre hangolni, mint egy egyenletes keveréknél, és a kapott szuszpenzió különböző mértékű relatív mozgást fog tapasztalni a különböző részek között. a folyékony környezet tekintetében. Emellett az élő szervezetek az anyagcsere-reakciók összetettségét is növelik, ami azt jelenti, hogy a környező környezetbe ki- és felszívódott extracelluláris komponenseket is be kell számítani a forgásban lévő rendszerre ható erők egyensúlyába. Begley és Kleis (12) numerikus modellekkel jellemezték a sejtek és a perfundált oxigén transzportját és keveredését egy forgó falú edényben. Az eredményeket az oxigén szállítására vonatkozóan mutatják be a vastagbélráksejtekre jellemző sejtsűrűség és fogyasztási arányok tekintetében. Megállapítottam, hogy a differenciális forgási sebesség (mikrogravitáció) növelése növeli a keveredést és a transzportot, míg az átlagos forgási sebesség növelése (földi rendszer) mindkettőt elnyomja. A tömegtranszportról kimutatták, hogy mindkét körülmények között a perfúziós sebesség növekedésével összehasonlíthatóan növekszik, és az 5-10 ml/perc feletti tesztelt tartományok csökkenő hozamát értek el. Még akkor is, ha az elméleti minimális perfúziós sebesség közelében dolgoztunk, a teljes térfogatnak csak egy kis része szolgáltatott kevesebb oxigént a szükséges oxigénszintnél.

Fel kell ismerni, hogy a földi szimulációk, bár általában olyan empirikus eredményeket adnak, amelyek általában követik a tényleges űrrepülési mikrobiális válaszok tendenciáit, nem replikálják teljes mértékben ugyanazokat a mögöttes mechanizmusokat (7, 8, 15, 118, 126). Ennek a különbségnek a tudatában azonban ténylegesen előnyt szerezhetünk a gravitáció független főtevékenységeinek, azaz a tömegnek a relatív sűrűség függvényében történő súlyozásának és/vagy mozgásának teljesebb elkülönítésében. A tényleges mikrogravitáció, a szimulált mikrogravitáció és az 1 × fizikai feltételeinek gondos szembeállítása g A kontrollok ezért lehetőséget kínálnak a konkrét ok-okozati útvonalak tömörebb azonosítására, amelyek összekapcsolják a gravitáció hatását a megfigyelt kísérleti eredményekkel.

(iv) A mikrogravitációs hatások numerikus elemzése.

Az empirikus vizsgálatok kiegészítéseként a numerikus elemzés hasznos betekintést nyújthat a gravitáció szubcelluláris szinten betöltött szerepének meghatározásába. Liu et al. (152) jellemezte azokat az erőket és pályákat, amelyeket a lebegő részecskék a forgó környezetben tapasztalnak a forgási sebesség, valamint a részecskeméret és -sűrűség függvényében. Gao et al. (77) számítási modelleket dolgozott ki és validált a külső tömegátadási sebesség becslésére egy biofizikai, nem pedig egy tiszta biológiai rendszer esetében, ahol a reakciók könnyebben megjósolhatók és nyomon követhetők. Különböző vegyi anyagok felhasználásával, amelyek egy forgó bioreaktorban folyadékban szuszpendált bioaktív üvegrészecskék felületével reagálnak, kimutatták, hogy a szimulált mikrogravitáció egy forgó bioreaktorban megnövelte a szuszpendált gyöngyök felületi módosulási sebességét azokhoz képest, amelyeket hagytak a fenékre ülepedni. egy statikus fiola felülete. Ez a tanulmány rávilágított a normál izolálás fontosságára (1 × g) a gravitációtól függő konvekciós erők és a gravitációtól független diffúzió egyidejűleg fellépő erői a nettó extracelluláris tömegtranszfer hatékonyságon. A sejt és környezete közötti finom kölcsönhatás egyre fontosabbá és bonyolultabbá válik, ahogy a sejtmozgás hatásai is megjelennek.

Ok-okozati elméletek és mechanizmusok.

A gravitáció sűrűség által vezérelt súlyt és/vagy relatív mozgást indukál a tömegen. Ha egy adott választ a mikrogravitációnak kell tulajdonítani, akkor magától értetődő, hogy a kezdeti ingernek, amely végül a megfigyelt megváltozott biológiai kimenetelhez vezet, fizikai alapon kell származnia, amely súlyt vagy mozgást foglal magában (253). Mint ilyenek, a gravitáció mikroorganizmusokra gyakorolt ​​hatásait elvileg vissza kell vezetni valamilyen normálisan jelenlévő súly vagy mozgás eltávolítására, ami relatív változást idéz elő a sejten belüli összetevők között vagy a sejt és környezete között.Ennélfogva a gravitációs trigger azonosítása definíció szerint az ok-okozati események összetett kaszkádjának első lépése, amely mechanikai vagy biokémiai utakon keresztül terjed, és amely mért biológiai válaszba torkollik. Az egysejtű mikrobák esetében az intracelluláris komponensek olyan egyenletes sűrűségűek és kis méretűek, hogy elméletileg már korán bebizonyosodott, hogy nem valószínű, hogy bármilyen relatív fizikai hatást tapasztalnak, amely elegendő mértékű ahhoz, hogy lehetővé tegye a gravitáció közvetlen érzékelését (201, 202). Ezen túlmenően a Brown-mozgás egyidejű és jelentős befolyása, amely nem függ a gravitációtól, azt is sugallja, hogy a mikrobiális sejtek valószínűleg nem veszik észre a gravitáció kisebb hatását adott esetben, bár az ülepedés kumulatív hatása megváltozott környezeti feltételekhez vezethet. , ezáltal közvetetten befolyásolja a mikrobiális anyagcserét (137). Ezért az a mód, ahogyan a mikrogravitáció megváltoztatja a viselkedését in vitro A mikrobiális szuszpenziós kultúrák nagy valószínűséggel a sejtek környezeti változásokra adott válaszának tulajdoníthatók, ideértve a tápanyagfelvételt, a hulladék eloszlását és a kvórumérzékelési folyamatokat irányító transzport jelenségeket (135). Amint a sejtek mérete körülbelül 10 μm fölé növekszik, mint például a paramecia, a belső jelenségek valószínűvé válnak, és a kutatás arra irányul, hogy a szervezet hogyan képes érzékelni és reagálni a gravitációra (90).

(i) Extracelluláris tömegtranszfer.

A gravitációnak a mikrobiális anyagcserére ható közvetett hatásai az extracelluláris környezetben zajló ok-okozati események sorozatának tulajdoníthatók, amelyek szabályozzák a sejt viselkedését. Bármilyen fizikai jelenség befolyásolhatja a baktériumok növekedését keverés nélkül, 1 × g feltételek (135). A szuszpenziós kultúrák lefelé ülepednek a gravitáció mindenütt jelenlévő húzása hatására, és bizonyos szintű nyíróerőt tapasztalnak, miközben az ellenálló viszkózus folyadékon áthaladnak, amíg el nem érik a tartály fenekét, ekkor kezdenek el feküdni más sejteken, következésképpen a melléktermékek és a melléktermékek halmozott helyi környezetét hozva létre. fokozódó verseny a tápanyagokért a sejtek feletti határrétegben.

Ezenkívül a sejtet körülvevő mikrokörnyezet a tápanyagok dinamikus egyensúlyából áll, amelyek az ömlesztett tápközegből a sejt membránján keresztül kerülnek a sejtbe, és a sejtből kiválasztódó salakanyagokból, és a sejten kívüli tömegtranszfer folyamatok révén kifelé hígulnak, amelyeket diffúzió és konvekció vezérel. 1 × g körülmények. A tér csökkentett gravitációs környezete lényegében kiküszöböli a tömegvezérelt konvekciót, ezáltal korlátozza a molekuláknak ezt az extracelluláris átvitelét a sejt felszínére és onnan csak diffúzióra, és megváltoztathatja a membrántranszport folyékonyságát is. Ahogy a sejtek összegyűlnek a tároló alján 1 ×-nél gKimutatták, hogy a folyadék határrétegére gyakorolt ​​kumulatív hatásuk a folyadék sűrűség által vezérelt feláramlását hozza létre, mivel a tápanyagfogyasztás miatt kevésbé sűrűsödik és végül instabillá válik. Azt azonban, hogy ez a redukció milyen mértékben hat az egyes sejtekre, még nem határozták meg teljesen (17, 123).

(ii) A sejtek mobilitása/motilitása.

A mikrogravitáció környezeti hatásai bizonyos mértékig a Földön is vizsgálhatók különféle rotációs mikrogravitációs szimulációs technikák alkalmazásával, a fent leírtak szerint. Mivel ilyen földi űrrepülési analóg körülmények között a gravitáció állandó befolyást gyakorol, a sejtnek a környező közeghez viszonyított, a folyamatos újraorientációval elért szinte mozdulatlan állapota a megváltozott válaszok elsődleges tényezője. A csökkent sejtülepedés növekedési viselkedésre gyakorolt ​​hatásának más módon történő értékelésére kiegészítő megközelítést végeztek gázvezikulum-képző módszerrel. Escherichia coli olyan kultúrák, amelyeket genetikailag úgy módosítottak, hogy semlegesen lebegő legyen (147). Összehasonlítva a klinosztát eredményeivel 1 ×-hez viszonyítva g keverés nélküli körülmények között ez a kísérlet azt mutatta, hogy hasonló viselkedés érhető el a sejtek részleges immobilizálásával a tápközeghez igazított sűrűség révén, ami továbbá arra utal, hogy a gravitáció domináns szerepe ebben a léptékben az extracelluláris környezet közvetett megváltoztatása, nem pedig a sejtekre gyakorolt ​​közvetlen hatás. (15).

A sejtre és/vagy környezetére ható külső erők mellett a mozgékonyság a sejtet körülvevő lokális folyadékra is befolyást gyakorolhat a flagelláris hatásból eredő keveredés és a sejt egyébként nyugalmi helyéről való eltávolítása miatt. Bár a legtöbb, az 1960-as évekre visszanyúló űrkutatási jelentés azt jelzi, hogy a baktériumok növekedése általában felgyorsul az űrben, az évek során számos kivétel váltott ki vitákat és bonyolult magyarázatokat arra vonatkozóan, hogy a mikrogravitáció hogyan hat-e a mikroorganizmusokra. Amint fentebb megjegyeztük, az irodalom közelmúltbeli részletes áttekintése erős korrelációt mutatott ki a sejtmotilitás és az űrrepülés (beleértve a mikrogravitációs analógokat) hatása között a baktériumszuszpenziós tenyészetek végső sejtszámára. Általánosságban elmondható, hogy a sejtmozgást elősegítő körülmények között a térben megfigyelhető tipikus különbségek, mint például a lerövidült késleltetési fázis és a megnövekedett végső sejtszám, nem fordultak elő, ha mozgékony törzseket használtak a kísérletben (16). A nem mozgó sejtek esetében a tápanyagok és hulladékok extracelluláris tömegtranszferje a mikrogravitációban csak diffúzióra redukálódik, ezért ésszerű elképzelni, hogy 1 ×-hez viszonyítva g kontrollok, a términták nagyon eltérő környezetet élnének meg, ami megváltoztatná növekedésüket és viselkedésüket. Ha bevezetik a flagelláris akciót, akkor ez a különbség már nem áll fenn, mivel mindkét csoport hasonló keveredést tapasztal helyi környezeti szinten, így magától értetődő, hogy az űrrepülés hatása nem mutatkozna meg. A motilitás által nyilvánvalóan hasonlóan irányított egyéb eredményekkel együtt ez az összefüggés további betekintést nyújt abba, hogy a mikrogravitáció hogyan diktálja a sejt és környezete közötti kapcsolatot, tovább erősítve azt a mechanisztikus magyarázatot, hogy a térben megfigyelt változásokért a tömegtranszfer közvetett megváltozása a felelős. Ennek a finom tendenciának az azonosítása azt szemlélteti, hogy az olyan zavaró kísérleti tényezők, mint a sejtmozgás és a táptalaj, megnehezíthetik azon mechanizmusok megértését, amelyek révén a csökkent gravitáció mélyrehatóan befolyásolja a biológiai rendszereket. A teljesség kedvéért a jövőbeli űrrepülési (és mikrogravitációs analóg) vizsgálatoknak alaposan jellemezniük kell a vizsgált tenyészet bakteriális motilitási szintjét, és ennek megfelelően le kell vonni a következtetéseket az eredményekről.

(iii) Membránváltozások.

A kezdeti gravitációs kiváltó eseményen túllépve a sejtmembrán, amely elszigeteli a belső komponenseket a környező környezettől, a következő logikus lépés, amelyet a lépcsőzetes ok-okozati útvonalon kell megvizsgálni. Goldermann és Hanke (81) kimutatták, hogy a gravitáció befolyásolhatja a porinfrakció felnyílását a helyreállított membránokban szabadesés (leejtőtoronyban) és hipergravitáció (centrifugában) körülmények között. Ez azt sugallja, hogy a biológiai és a fizikai világ közötti membrángát a gravitációs szint függvényében hatással lehet, ami megváltozott felvételi vagy kiválasztási sebességet eredményezhet. Huitema et al. (118) növekedésről számoltak be E. coli a membrán fluiditása, amikor a sejteket szimulált mikrogravitáció körülményei között tenyésztették, de England et al. (60) nem talált különbséget egy másik fajnál (Pseudomonas aeruginosa). Azt is felvetették, hogy a megnövekedett membránfolyékonyság a mikrogravitációban felelős lehet a megnövekedett gyógyszerrezisztenciáért.

(iv) Génexpresszió és -csere.

Az anyagcsere-útvonal előtti szakaszában a sejt kezdeti gravitációfüggő fizikai változásai befolyásolhatják annak genetikáját. A jelenlegi kutatások nagy része a differenciált génexpresszióra összpontosít, hogy megpróbálja összefüggésbe hozni a súlytalanságra (vagy szimulált súlytalanságra) adott válaszokat bizonyos gének fel- vagy leszabályozásával. Noha ennek a még érlelő mezőnek még pozitívan kell azonosítania, hogy mely gének felelősek a különböző megfigyelt gravitációfüggő válaszokért, a kapcsolatok egyre növekvő adatbázisát dokumentálják (2, 242, 243). Wilson és mtsai. (264) microarray elemzést végzett Salmonella sejteket szimulált mikrogravitáció körülményei között tenyésztettek, és azt találták, hogy 100 gén túlzott expressziója jelentősen megváltozott, beleértve a transzkripciós szabályozókat, virulenciafaktorokat, lipopoliszacharid (LPS) szintetikus enzimeket és vasfelhasználó enzimeket kódoló géneket. A közelmúltban végzett űrrepülési kísérletek ezen a területen elért előrelépései valószínűleg nagymértékben kibővítik ismereteinket arról, hogy a mikrogravitáció végül hogyan szabályozza a mikrobiális viselkedést genetikai alapon.

Egy másik hozzájáruló tényező ebben a tekintetben a genetikai transzfer. DeBoever et al. (48) megfigyelték, hogy a Gram-pozitív baktériumtörzsek közötti plazmidcsere az űrrepülés során megtörtént, és a plazmidcsere hatékonyabban ment végbe, mint a földi kontrollkísérletben, de Gram-negatív baktérium esetében nem figyeltek meg szignifikáns különbséget az űrrepülés és a földi kontroll között. törzs. Amellett, hogy megértjük, hogyan módosul a genetikai expresszió az űrben, további kísérletekre is szükség van a mikrobiális adaptáció és evolúció előfordulásának és következményeinek teljes körű értékeléséhez mobil genetikai elemeken, például fágokon, plazmidokon és transzpozonokon keresztül, amelyek döntő szerepet játszanak a bakteriális adaptációban. és az evolúció.

A kozmikus sugárzás biológiai hatékonysága

Az embert fenyegető sugárzási kockázatok felméréséhez az űrben a sugárzási mező biológiai hatásaival kapcsolatos alapos ismeretek szükségesek. Ezen ismeretek megszerzése érdekében mikroorganizmusokat, növényeket és állatokat vizsgáltak sugárbiológiai modellrendszerként az űrben és nehézion-gyorsítóknál a földön (lásd a 94., 98., 100., 101. és 128. hivatkozásokat).

A sugárzás elsősorban az atomokban és molekulákban lévő elektronok ionizációja és gerjesztése révén lép kölcsönhatásba az anyaggal. A biológiai hatásokat vagy a kulcsfontosságú biomolekulák, például fehérjék és nukleinsavak közvetlen energiaelnyelése, vagy közvetett módon a sugárzás által kiváltott gyökökkel való kölcsönhatás révén váltják ki, amelyek például a sejtvíz radiolízisével jönnek létre (&#. ábra). x200B (4. ábra). Az ionizációk sűrűségének növekedésével a sejtekben a lokális károsodások száma és nagysága nő. Ez különösen érvényes a GCR HZE-részecskéire, amelyek ionok és gyökcsoportokat hoznak létre a sejten való áthaladásuk során. A mikrodozimetriai koncepciók kritikus paraméternek tekintik az energia sugárirányú eloszlását a részecske pályamagja körül (33). Ebben az esetben ismerni kell a hatáskeresztmetszetet, a pályaszerkezetet, a biológiai rendszer érzékeny helyein lerakódott energiát. A 0,2-0,3 x003bcm 2 geometriai keresztmetszetű citoplazmatikus maggal rendelkező bakteriális endospórák jó tesztszervezetek mikrodozimetriai vizsgálatokhoz.

Radiobiológiai eseménylánc, amely egy mikrobasejtben indul be ionizáló sugárzásnak való kitettség után, két alternatív kölcsönhatási útvonallal, amely közvetlen vagy közvetett sugárzási károsodást eredményez. (Módosítva a ​ Fig.7-05 7-05 ábráról a 101-es hivatkozásban a Springer Science and Business Media szíves engedélyével.)

Különféle űrkísérletek során a spórákat Bacillus subtilis biológiai doziméterként használták a μm skálán a radiális biológiai hatékonyság meghatározására az egyes HZE részecskék pályája mentén. Erre a célra fejlesztették ki a Biostack kísérleteket. A Biostack kísérleti koncepciója bakteriális spórák egyrétegű szendvicséből állt, amelyeket cellulóz-nitrát fóliára helyeztek vizuális nyomkövető detektorként (29, 94). Az űrből való visszatérést követően (Apollo Soyuz Test Project és Spacelab 1 küldetés) a HZE-részecske röppályája közelében lévő spórák életképességét külön-külön elemezték mikroszkóppal a nyomdetektor egyoldali maratása és a spórák mikromanipulációja után. tápagar és inkubálás. A napi áramlási sebesség 0,3-0,7 HZE részecske/cm 2, lineáris energiaátviteli sebességgel (LET) � keV/μm, a detektorokban lévő nyomok megszámlálásával mértük. A LET az anyagban lévő részecskepálya egységnyi hosszára eső energiaveszteség mértéke. ​ ábra Az 5. ábra az inaktivált spórák gyakoriságát mutatja a HZE részecskeúttól való sugárirányú távolság függvényében, vagyis az ütközési paramétert és a statisztikai elemzéseket. Az adatok két egymást kiegészítő hatásra utaltak a spórák HZE-részecskék általi inaktiválására: a HZE-részecskepályától számított 0,2 μm sugárirányú távolságig egy rövid hatótávolságú hatás, amely a másodlagos elektronok hatásaira vezethető vissza (δ- sugarak) és egy 3,8 μm távolságig terjedő hosszú távú hatás, amelyhez más mechanizmusokat, például lökéshullámokat vagy termofizikai eseményeket javasoltak (áttekintve a 98., 101. és 185. hivatkozásokban). Meg kell jegyezni, hogy ezeken a külső területeken a spórákat, amelyek átmérője körülbelül 1 x 003 milliárd cm, nem érte közvetlenül a HZE-részecske. Egy olyan jelenséget, hogy biológiai hatást váltanak ki azokban a sejtekben, amelyeken nem halad át közvetlenül egy töltött részecske, de amelyek közvetlen közelében vannak olyan sejtekkel, amelyek a 𠇋ystander” hatásként ismertek, azóta számos biológiai hatásra figyeltek meg. végpontok, például inaktiváció, mutagenezis és kromoszóma-rendellenességek az emlőssejtekben, amelyeket a részecskesugárzás keskeny mikronyalábjai segítségével azonosítottak (áttekintve a 176. hivatkozásban). A közelmúltban mellékhatásokat is találtak in vivo egerekben, amelyek részben röntgensugárzásnak voltak kitéve (160). A mellékhatások súlyos következményekkel járhatnak a sugárzás által kiváltott egészségkárosító hatások kockázatának felmérésében az űrhajósok számára, mivel növelhetik a rák kialakulásának kockázatát (178, 198).

Az inaktivált spórák integrált nettó hányada B. subtilis az ütközési paraméter, azaz a HZE részecskepályától való sugárirányú távolság és az azon a területen vizsgált összes spóra integrált hányadának függvényében. Az eredmények az Apollo Soyuz tesztprojekt (ASTP) Biostack III-ból származnak. (Módosítva a 61. hivatkozástól az Elsevier engedélyével.)

A Biostack térkísérlet eredményeinek összehasonlítása érdekében a nehézion-gyorsítókkal végzett besugárzási kísérletek eredményeivel, az inaktivációs keresztmetszetek σén, határozták meg (94). σén, amely egy felület, megadja annak valószínűségét, hogy egyetlen spórát inaktivál egy részecske. σén a fluence inaktivációs görbék exponenciális részének meredekségéből adódik. A ​ ábra A 6. ábra mutatja, hogy (i) σén az értékek a részecskék LET-jével és Z-jével növekedtek, (ii) σén az űrspórák értékei (Biostack-kísérletek) körülbelül 20-szor magasabbak voltak, mint a nehézion-gyorsítókkal hasonló LET ionokkal besugárzott spórák értékei (a fluence inaktivációs görbék alapján), és (iii) σén az űrspórák értékei (Biostack-kísérletek) körülbelül 20-szor magasabbak voltak, mint a spóramag geometriai keresztmetszete, ami körülbelül 0,32 μm2.

Inaktiválási keresztmetszet, σén, nak,-nek B. subtilis A HA 101 spórák a LET és a Z atomszám függvényében, nehézion-gyorsítókon (Lawrence Berkeley Laboratory, Berkeley, CA [A] és Gesellschaft für Strahlenforschung, Darmstadt, Németország [B]) és Biostack kísérletek az űrben (C). (Módosítva a 94. hivatkozásban szereplő ​ 12. ábra 12-ből a Springer Science and Business Media szíves engedélyével.)

Meg kell jegyezni, hogy a Biostack rendszerben a GCR nagyon nehéz és nagy LET-értékű ionjai, például a Fe-ionok, amelyek LET értéke 𾄀 keV/μm, hosszú sávokat hoznak létre több detektorrétegen keresztül. Ezeket a Fe-ionokat elsősorban az űrkísérletekben mutatták ki, míg a földi kísérletekben nem voltak elérhetők. Ezért a megnövekedett σén A kozmikus sugarú HZE-részecskéknek kitett spórák értékei a földi kontrollokhoz képest a Biostack módszerrel rögzített magas LET Fe-ionok magas frekvenciájának következményei lehetnek.

Spóráihoz képest B. subtilis, a sugárzásnak ellenálló baktérium Deinococcus radiodurans Az R1 körülbelül 5-ször ellenállóbb az ionizáló sugárzással szemben, amint az azokból következtethető D0 értékek (D0 A túlélési görbék exponenciális meredekségéből meghatározott röntgensugár dózisa a túlélést e 𢄡-kal csökkentő dózisa. Sokkal fontosabb a túlélési görbe alakja, amely egy markáns vállat mutat D. radiodurans R1, a sejtek 100% túlélést mutatnak, ha legfeljebb 4 kGy dózisnak vannak kitéve. Mivel a spórák túlélési görbéje B. subtilis szigorúan exponenciális, ugyanaz a nagy dózisú ionizáló sugárzás körülbelül 3 nagyságrenddel csökkenti a spórák túlélését (áttekintve a 10. hivatkozásban).

A DNS-kettős száltörések (DSB-k) a HZE-részecskék által a mikroorganizmusokban kiváltott károsodások legsúlyosabb típusai, amint azt a sejtekben határozzák meg. E. coli B/r (230), D. radiodurans R1 (270), és B. subtilis TKJ 8431 (166). A DSB-indukció keresztmetszete hasonló függőséget követett az ionok LET-től és Z-értékétől, mint a sejtek inaktiválásánál tapasztalt (​ ábra (6. ábra). 6). Ezenkívül oxidatív báziskárosodást, például 8-oxo-7,8-dihidro-2′-dezoxiguanozint (8-oxodGuo) találtak B. subtilis HZE-részecskéknek (C- és Fe-ionok) kitett spórák (169), amelyeket a részecskesugárzás közvetett hatásai okozhatnak.

A mikroorganizmusok számos mechanizmussal rendelkeznek a HZE-részecskék által indukált DNS DSB-k javítására. Ezek közé tartozik a törött végek újbóli összekapcsolása, homológ rekombináció egy testvérszál molekulával (71) vagy nem homológ végcsatlakozás (NHEJ) (22). A spórákban B. subtilis, amelyek egyetlen kromoszómát tartalmaznak toroid alakban (70), az NHEJ a leghatékonyabb helyreállító út az ionizáló sugárzásnak kitett spórák csírázása során, például röntgensugárzásnak (170) vagy HZE-részecskéknek (173).

A HZE-részecskék mutagenitása különös aggodalomra ad okot az űrhajósokat fenyegető sugárzási kockázatok értékelésében, mivel összefüggésük van a rák kiváltásával. Vizsgálatok a mutációk indukciójáról (pl. hisztidin reverzió in B. subtilis és Salmonella enterica szerovar Typhimurium és azid rezisztencia in B. subtilis spórák) a következő eredményeket adták: (i) kevés mutációt idéztek elő könnyű ionok (Z ≤ 10), és (ii) nehezebb ionok esetében (Z ≥ 26), a mutáció keresztmetszete, & #x003c3m, energiával növelve egy maximum vagy telítési pontig. A σ ettől a függésétőlm az energiával kapcsolatban javasoltak egy “mutagén övet” a részecske nyomvonalán belül, amely olyan területre korlátozódik, ahol az eltávozott energia sűrűsége elég alacsony ahhoz, hogy ne pusztítsa el a sejtet, de elég magas ahhoz, hogy mutációkat indukáljon (139).

A sztratoszférikus ózonréteg szerepe a Föld bioszférájának védelmében a nap UV-sugárzásától

A nap UV-sugárzásának teljes spektruma csak az űrben tapasztalható. Annak érdekében, hogy kvantitatív értékelést kapjunk a progresszív ózonréteg károsodásának a földi életre gyakorolt ​​hatásairól, földönkívüli napsugárzást használtak egy űrkísérletben természetes UV-forrásként a spórák besugárzására. Bacillus subtilis 168 egy biológiai dózismérőben 𠇋iofilm” (109). Ez a biofilm-technika közvetlenül súlyozza a környezeti UV-sugárzás beeső spektrális komponenseit biológiai hatékonyságuk szerint (179, 210, 211). A német Spacelab D2 küldetése során (​ táblázatok (1. és ​ és 3. táblázatok), 3 ) előrekalibrált 𠇋iofilmeket”, amelyek száraz egyrétegű, rögzített spórákból álltak B. subtilis 168-at meghatározott időközönként földönkívüli napsugárzásnak tettek ki, amelyet optikai szűrőrendszeren keresztül szűrtek, hogy szimulálják a különböző ózonoszlopvastagságokat egészen alacsony értékekig. Visszakeresés után a biológiailag hatékony besugárzás Eeff A különböző szimulált ózonoszlopvastagságok biofilm adataiból kísérletileg határoztuk meg és hasonlítottuk össze a számított adatokkal, sugárzási átviteli modell és ismert biofilm hatásspektrum segítségével. ​ ábra A 7. ábra a 7. ábra a biológiailag hatékony szoláris UV-sugárzás növekedésének kísérleti és számított adatait mutatja csökkenő (szimulált) ózonkoncentráció mellett. A földönkívüli napsugárzás szűretlen spektruma növekményhez vezetett Eeff közel 3 nagyságrenddel a Föld felszínén lévő napspektrumhoz képest átlagos összes ózonoszlop esetében (​ ábra (7C. ábra). 7C ). Az adatok demonstrálják az űrkísérletek értékét az élet zsugorodó ózonréteggel szembeni érzékenységének előrejelzésében, azaz a jövőbeli trendek felmérésében, valamint az UV-sugárzás éghajlatának az éghajlatra gyakorolt ​​hatásának felmérésében. korai bioszféra, a sztratoszférikus ózonszűrő felépítése előtt, azaz visszatekintve a Föld történetébe (41).

(A) UV-besugárzási feltételek (rövid hullámhossz szűrőrendszer használatával, megfelelő szimulált ózonoszlop vastagsággal) az RD-UVRAD kísérletben a német D2 küldetés során. (B) Számított biológiai hatékonysági spektrumok a különböző kísérleti körülményekhez a biofilm doziméter érzékenységi görbéje szerint. (C) A sugárzás biológiai hatékonysága, kísérletileg meghatározva a biofilm doziméterrel (kék körök), és kiszámítva a biológiai hatékonysági spektrumok (B) hullámhosszokon (piros körök) integrálásával. DU, Dobson egység, amely a sztratoszférikus ózont méri. Az 1 DU 10 μm vastag ózonréteget jelent normál hőmérsékleten és nyomáson. GC, földi irányítási adatok, amelyeket nyáron délben mértek a németországi Kölnben a DLR tetején. (Módosítva a 109. hivatkozásról az Elsevier engedélyével.)

3. TÁBLÁZAT

Kísérletek a világűrben a mikroorganizmusok túlélésének tesztelésére

ÉvKüldetésLétesítményMikrobás vizsgálati rendszerAz expozíció időtartamaTanulmányozott térparaméterGCR dózis (mGy)Tanulmányozott jelenségHivatkozás(ok)
1965A rakéták magassága 150 km T1 bakteriofág, B. subtilis spórák, Penicillium spórák3 percTér, nap UV Inaktiválás116
1966Luster rakéta magassága 𼅉 km Bakteriofág T1204 sNap UV (163, 206, 254, 260-280, 306-320 nm) Az inaktiválás UV hatásspektruma153
1966Gemini 9 300 km magasságban Bakteriofág T1, TMV, B. subtilis spórák, Penicillium spórák16 óra 47 percTér, nap UV Inaktiválás117
1966Gemini 12 300 km magasságban Bakteriofág T1, TMV, B. subtilis spórák, Penicillium spórák6 óra 24 percTér, nap UV Inaktiválás117
1972Apollo 16 holdküldetésJUTALOMB. subtilis 168 spóra, T7 bakteriofágVákuum, 1,3 óra UV, 10 percŰrvákuum, szoláris UV (254, 280 nm)4.8Inaktiválás, javítás30, 238
1983Spacelab 1 240 km magasságbanES029B. subtilis HA 101, HA 101 F és TKJ 6312 spórákVákuum, 9 nap UV, 19 perc - 5 óra 17,5 percŰrvákuum, szoláris UV (𾅰, 220, 240, 260, 280 nm)1.3Inaktiválás UV hatásspektruma, fototermékek, javítás106, 107
1984-1990LDEF magasság: � kmExostackB. subtilis spórák2107 napŰrvákuum, nap UV4,800Hosszú távú túlélés105
1992-1993EURECAKORSZAKB. subtilis HA 101, HA 101F, TKJ 6312 és TKJ 8431 spórák D. radiodurans R1 plazmid pBR322 plazmid pUC19327 napŰrvákuum, szoláris UV (𾄐, 𾅰, 𾊀, 𾊕, 220, 230, 260, 290 nm)240-410Inaktiváció, mutáció, DNS száltörések, por általi árnyékolás UV hatásspektruma56, 115
1993Spacelab D2RD-UVRADB. subtilis 168 spóra, D. radiodurans R1, pBR322 plazmid, Aspergillus ochraceus kondia, Aspergillus niger konídiumok10 nap (vákuum), 5-120 perc (UV)Űrvákuum, szoláris UV-sugárzás (190, 210, 220, 230, 260, 280, 𾆐, 𾌄, 𾌓, 𾌔, 𾌔, 𾌔, >, >, >, >, >, >)0.74Inaktiválás UV hatásspektruma, fototermékek, javítás, mutáció, ózonréteg szerepe109, 114
1994Foton 9Biopan 1B. subtilis HA 101, HA F és TKJ 5312 spórák, Haloarcula sp. sejtek, Synechococcus sp. sejteket14,8 napŰrvákuum, nap UV6-74Túlélés, UV-védelem porral110, 158
1997Foton 11Biopan 2B. subtilis HA 101 spórák, T1 bakteriofág, Haloarcula sp. sejtek, Synechococcus sp. (Nägeli) sejtek10 napŰrvákuum, nap UV4-30Túlélés, UV-védelem por vagy sók által110
1999Foton 12Biopan 3B. subtilis HA 101 spórák12,7 napŰrvákuum, nap UV5-28Túlélés, UV-védelem porral110
1999MIR-PerseusExobiologieB. subtilis HA 101, TKJ 6312 spórák98 napŰrvákuum, nap UV37-49UV árnyékolás meteoritporral220
1999Terrier Black Brant rakéta magassága 𼌄 kmSERTISD. radiodurans R1, Bacilus sp. PS3D395 sŰrvákuum, szoláris EUV (30,4 nm) Túlélés228
2004Terrier Mark 70 továbbfejlesztett rakéta B. subtilis spórák, B. amyloliquefaciens spórák350 sNagy sebességű légköri bejárat Túlélés, mutációk63
2005Foton-M2Biopan 5B. subtilis spórák, Rhizocarpongeographum, Xanthoria elegans, permafrost mikrobiális ökoszisztéma14,6 napŰrvákuum, szoláris UV (𾅰, 𾊀, 𾌠, 𾐀 nm)3.1Túlélés, árnyékolás marsi regolit vagy permafrost talaj által217, 229 D. Gilicsinszkij, személyes kommunikáció
2005Foton-M2Kő 5B. subtilis spórák, Ulocladiumatrum spórák, Chroococcidiopsis sp.14,6 napA meteoritok belépése a Föld légkörébe Túlélés24, 42
2007Foton-M3Biopan 6B. subtilispórák, D. radiodurans, Rhizocarpongeographum, Xanthoria elegans, Aspicilia fruticulosa, endolit cianobaktériumok, endoevaporitok10 napŰrvákuum, szoláris UV (𾄐, 𾈀, 𾊐, 𾐀 nm)3-80Túlélési árnyékolás marsi regolittal, kőzet- és sókristályokkal, kéreggel és pigmentekkel védve49,219
2007Foton M3Kő 6Rhizocarpongeographicum A meteoritok belépése a Föld légkörébe Túlélés262
2008-2009ISS-EuTeFEXPOSE-EB. subtilis 168 spóra, B. pumilus spórák, Halococcusdombrowskii, Anabaena cylindrica, Antarktisz kriptoendolit közösségei, Cryomycesantarcticus, Cryomyces minteri𢏁,5 évŰrvákuum, szoláris UV (𾄐 nm), szimulált marsi légkör és UV-klíma (𾈀 nm) Túlélés, védelem, DNS fototermékek, génaktiválás192
2009-ISSEXPOSE-RT7 bakteriofág, B. subtilis 168 spóra, B. pumilus, B. licheniformis, Halorubrum chaoviatoris, Chroococcidiopsis, Synechococcus (Nägeli), Penicillium italicum, Penicillium expansum, Penicillium aurantiogresium, Aspergillus sydowi, Aspergillus versicolor, Geomyces pannorum, Trichoderma koningii𢏁 évŰrvákuum, szoláris UV (𾄐, 𾈀 nm) Túlélés, védelem, DNS fototermékek, génaktiválás102,197

Spórái B. subtilis A biológiai doziméterben lévő 168 𠇋iofilm” fedélzetén is használtak MIR állomás a kozmonauták káros földönkívüli UV-sugárzásnak való kitettségének számszerűsítésére a “snapozás” kvarc ablaknál, valamint ennek az UV-sugárzásnak a kozmonauták általi belső D-vitamin-termeléshez való megfelelőségének felmérésére (218). Megállapítást nyert, hogy a természetes nap UV-sugárzása behatol egy kvarc ablakon MIR Az állomás megfelelő volt a D-vitamin szintéziséhez a “snapozás” hosszan tartó időszaka alatt, azonban túl sok biológiailag káros UVC és UVB sugárzást tartalmazott, ezért egészségkárosító volt a kozmonauták számára, ezért kerülni kell.

A mikrogravitáció és a sugárzás kölcsönhatásai mikroorganizmusokban

Az űrhajósokra a sugárzásnak és a mikrogravitációnak való kitettségből eredő egészségügyi kockázatokon túlmenően kockázatok merülhetnek fel ezen űrrepülési tényezők kölcsönhatásaiból (97). Ezt a hipotézist a Biostack űrkísérletei támasztották alá a botos rovar embrionális fejlődésével kapcsolatban. Carausius morosus. Egyre több embrióban alakult ki fejlődési rendellenesség, miután mikrogravitációs körülmények között HZE-részecske érte őket (215). Feltételezték, hogy a mikrogravitáció zavarja a sugárzás által károsodott DNS sejtes helyreállító folyamatainak működését, ami az űrrepülés során a sugárzási válasz növekedéséhez vezet (194 áttekintése a 92. hivatkozásban). Kísérletek az ESA Biorack létesítményében (26) a Spacelab IML-1 fedélzetén (STS-42 1992. január 22-30.) a hőmérséklet-feltételes javítómutánssal Saccharomyces cerevisiae A rad 54-3 további alátámasztást nyújtott ehhez a hipotézishez (208). Sejtjei Saccharomyces cerevisiae A rad 54-3 javítja a sugárzás által kiváltott DNS DSB-ket 22 °C-on inkubálva, azonban 36 °C-on tenyésztve ez nem sikerül. Mivel a 8 napos LEO-s küldetés során kapott körülbelül 1 mGy sugárdózis túl alacsony lenne ahhoz, hogy a sejtek bármilyen jelentős, sugárzás által kiváltott inaktiválódást észleljenek, az állófázisú sejteket a repülés előtt röntgensugárzással sugározták be nagyobb dózisban. 140 Gy-ig, és a teljes küldetés alatt nem növekedési körülmények között tartottuk, hogy lehetővé tegyük a késleltetett tenyésztési helyreállás értékelését. (69) Visszatérés után a sejteket 22°C vagy 36°C-on inkubáltuk. Azt találták, hogy a mikrogravitációban tartott repülési mintákban a DNS DSB-k javítási képessége 2-szeresére csökkent az 1 ×-hez képest. g földi vezérlés (208). Ezeket az adatokat, amelyek a mikrogravitáció és a sugárzás szinergikus kölcsönhatására utalnak, nem erősítették meg a Spacelab SMM-03 (STS-76, 1996. március 22-31.) során végzett követési kísérletek (206). További kísérletekre van szükség fedélzeti sugárforrással a mikrogravitáció DNS-javító folyamatokra gyakorolt ​​lehetséges hatásának meghatározásához.

A Spacelab IML-2 küldetése (STS-65, 1994. július 8-23.) során a Biorack létesítményben a mikrogravitáció alatt növekvő besugárzott sejtekben a különböző javítási utak hatékonyságának részletesebb vizsgálatát végezték el, különböző egysejtű rendszerekkel, amelyeket korábban besugároztak. az űrmisszió. Ebben a tanulmányban a következő javító funkciókat vizsgáltuk: (i) a sugárzás által kiváltott DNS-száltörések újracsatlakozásának kinetikáját E. coli sejtek és humán fibroblasztok, (ii) az SOS válasz indukálása a sejtekben E. coliés (iii) az inaktivációs kinetika csírázó spóráiban Bacillus subtilis különböző javítási kapacitással. Ezekhez a vizsgálatokhoz minden Biorack által biztosított inkubátort 1 db ×-tel szereltek fel. g referencia centrifugával, valamint statikus rekeszekkel, amelyekben a mintákat mikrogravitációs körülményeknek teszik ki. A mintákat rendszeres időközönként 1-5 óra inkubáció után gyűjtöttük, és a laboratóriumi elemzésig �ଌ fagyasztóban tároltuk. A ​, 8. és 8. ábrán a különböző mikrobiális rendszerek javítási kinetikáját ábrázolják a következő gravitációs körülmények között az inkubáció során: tér (0 × g és 1 × g) és földelve (1 × g és 1.4 × g). A mikrogravitációban helyreállító sejtek összehasonlítása a gravitáció alatt állókkal (1 × g referencia centrifuga a fedélzeten vagy a megfelelő földi kontrollok) nem mutattak szignifikáns különbséget az enzimatikus javítási reakciókban (108, 112). Fedélzeti sugárforrást használva Pross et al. (207) kimutatta, sejtjeit használva Saccharomyces cerevisiae rad 54-3, hogy mikrogravitációban sem a sugárzás által kiváltott DNS DSB-k száma, sem a javításuk hatékonysága nem tért el a földi körülményektől. Ezért a mikrogravitáció és a sugárzás szinergikus hatásai a biológiai rendszerekben, amelyeket több esetben is megfigyeltek, például az embrionális rendszerekben (lásd a 92. és 93. hivatkozást), valószínűleg nem magyarázható a mikrogravitáció intracelluláris helyreállításának zavarával. Egyéb feltételezett mechanizmusok a következők: (i) molekuláris szinten a konvekciómentes környezet következményei (251) (ii) sejtszinten, a jelátvitelre, a receptorokra, a metabolikus/fiziológiai állapotra gyakorolt ​​hatás, a kromatinon vagy a membrán szerkezetén és (iii) szöveti és szervi szinten az önszerveződés módosulása, az intercelluláris kommunikáció, a sejtmigráció, a mintázatok kialakulása vagy a differenciálódás. A sugárzás és a mikrogravitáció lehetséges kölcsönhatásaiba további betekintést nyerhet a Triple-Lux kísérlet, amelyet az ESA Biolab inkubációs létesítményében kell végrehajtani az ISS-en (212). Ebben a kísérletben a bakteriális bioszenzoros SOS-Lux-Lac-Fluoro toxicitási tesztet használják a sugárzás által kiváltott és a mikrogravitáció által kiváltott károsodások megkülönböztetésére a baktériumsejtekben. Az SOS-Lux teszt, azaz a rekombináns teszt kombinációjából áll Salmonella enterica a pBR322-eredetű pPLS-1 (209) plazmiddal és a hasonló, fejlett SWITCH plazmiddal transzformált Typhimurium TA1535 sejtek, amelyek a promóter nélküli plazmidot hordozzák. lux operonja Photobacterium leiognathi riporter elemként, amelyet egy DNS-károsodástól függő SOS promoter vezérel szenzorelemként, a pGFPuv plazmiddal a vegyi anyagok vagy környezeti ágensek citotoxikus aktivitásának kimutatására (11). Ez a kombinált bioszenzor többféle alkalmazási lehetőséget rejt magában a környezeti toxicitás-ellenőrző rendszerekben (9).

A sugárzás által kiváltott DNS-károsodás kinetikájának javítása mikrogravitációs körülmények között. (A) A DNS-szál törések újracsatlakozása X-besugárzott sejtekben E. coli B/r. (B) SOS válasz indukálása X-besugárzott sejtekben E. coli PQ37. (C) A spórák túlélése B. subtilis HA 101 UV besugárzás után. (Módosítva a 112-es hivatkozásról a kiadó engedélyével.)

Mikroorganizmusok túlélése a világűrben

Az űrrepülés megjelenése óta a mikroorganizmusok azon képességét vizsgálták, hogy túlélik-e a világűr körülményeinek való kitettséget, hogy megvizsgálják a következő kérdéseket. Mi a bioszféra felső határa? Meddig tágíthatjuk az élet határait (anyagcsere és növekedés vagy túlélés)? Megvalósítható-e a mikroorganizmusok bolygóközi szállítása természetes folyamatokkal? Mennyire sterilizálja az űrkörnyezet az űrhajókat a bolygóközi utazás során? Használhatjuk-e az űrkörnyezetet bizonyos bolygókörnyezetek szimulálására, hogy modellezzük és teszteljük e bolygók lakhatóságát?

Míg a bioszféra felső határának keresését meteorológiai rakéták és nagy magasságú léggömbök fedélzetén lévő mintavevő eszközökkel vizsgálták (lásd 𠇊 bioszféra felső határa”), a többi kérdésre a mikroorganizmusok szándékos exponálása révén került sor. a térkörnyezetet vagy annak kiválasztott paramétereit, és visszakeresés után tanulmányozzuk azok válaszait.

Létesítmények mikroorganizmusok világűrbe való kitételére.

A mikroorganizmusok a világűrnek vagy ennek az extrém környezetnek a kiválasztott paramétereinek való kitételére számos expozíciós berendezést fejlesztettek ki az űrhajó külső héjához való rögzítéshez. A ​ táblázat A 3. táblázat a mikroorganizmusokkal a világűrben 1965 óta végzett kísérleteket sorolja fel. Az első kifinomult expozíciós eszközt 1972-ben építette a NASA, ez volt az Apollo 16 küldetés MEED (245, 246). A MEED-et a vezérlőmodul TV gémjének távolabbi végére szerelték fel az extravehikuláris tevékenység fázisában. ford- Föld partja. 798 mintaküvettából állt, optikai szűrőként kvarc ablakokkal, opcionálisan szellőzőnyílásokkal a vákuum eléréséhez (​ ábra (9. ábra). 9). A MEED-et űrvákuumnak tették ki 1,3 órán át, és három intenzitású nap UV-sugárzásának 10 percig, 254 nm, 280 nm vagy 300 nm csúcshullámhosszal. Egy napelemes pozicionáló eszköz segítségével a MEED-et közvetlenül a napra merőlegesen irányították.

Az Apollo 16 küldetés holdjárójának kamerasugarára szerelt MEED expozíciós létesítmény (A) és mintaküvetta a mikroorganizmusok száraz rétegeinek napsugárzásnak és űrvákuumnak való kitételére (B). (Újranyomva a 245. hivatkozásból.)

A világűrben végzett mikrobiológiai kísérletek következő lehetőségét 1983-ban az SL1 küldetés adta (​ táblázat (3. táblázat), 3 ), az ES029 német expozíciós kísérlettel (106, 107). A négy négyzet alakú kvarccal borított rekeszben elválasztott exponáló tálcát az SL1 rakterében helyezték el, és a raklap hideg lemezére szerelték fel (​ ábra (10. ábra). 10). A rekeszek közül kettőt kifelé szellőztek, lehetővé téve az űrvákuumhoz való hozzáférést, a másik két rekeszt hermetikusan lezárták, állandó 10 5 Pa nyomással. Mindegyik rekeszben 79 száraz minta helyezkedett el a felső rétegben, lehetővé téve az UV-sugárzást. számot az alsó rétegben tartottuk sötét repülésvezérlőként. Az UV-besugárzott mintákat keskeny hullámsávú (220 nm, 240 nm, 260 nm és 280 nm) interferenciaszűrőkből és semleges sűrűségű szűrőkből álló optikai szűrőrendszer alá helyeztük (​ táblázat (1. táblázat). 1 ). A küldetés “hot fázisában”, amikor több keringés során az űrsikló raktere merőlegesen a nap felé mutatott, nem átlátszó, optikai ablakokkal ellátott redőnyt használtak a pontos besugárzási intervallumok eléréséhez. A mintákat 10 napig űrvákuumnak és előre meghatározott ideig (19 perctől 5 óra 17,5 percig) nap UV sugárzásnak tesszük ki. A hőmérséklet 17ଌ és 35ଌ között mozgott, a legmagasabb értékek a küldetés “hot fázisában” voltak. Kétféle földi irányítást hajtottak végre, köztük egy földi szimulációs kísérletet egy űrszimulációs létesítményben a küldetés előtt, és egy párhuzamos földi irányítást a repülési egységgel megegyező kísérleti elrendezéssel, amelyet a Kennedy Űrközpontban tartottak vákuumkamrában (10 𢄤 Pa) a repülési hőmérsékleti profilt utánzó hőmérsékleten, 1 napos késéssel. A repülési kísérletből és a földi irányításból származó mikrobiológiai mintákat a kutatók laboratóriumaiban történő elővétel után elemezték.Hasonló eszközt repültek 1993-ban az UVRAD kísérlettel a német SL D2 küldetés során (​ táblázat (1. táblázat), 1 ), amely a küldetés végén két keringés során egy “hot fázist” biztosított.

Az ES029 kísérlet expozíciós tálcája (A), amelyet az SL1 (B) rakterében lévő raklapra szereltek (nyíl), és az ERA létesítmény (D) expozíciós tálcája (C) az EURECA műhold fedélzetén. (A DLR [A], a NASA [B] és az ESA [C és D] jóvoltából.)

Az ESA fejlettebb, az SL1 ES029-kísérletéhez képest négyszer nagyobb kapacitású expozíciós létesítményeket fejlesztett ki az exobiológiai sugárzási összeállítással (ERA) az EURECA-misszióhoz (​ (10. ábra) 10 ) (115, 121) és az ISS-hez kapcsolódó EXPOSE létesítmények (6). Az EURECA-t 1992-ben indították el egy 9 hónapos napfényes küldetésre, és 6 hónapig biztosította a nap UV-sugárzásának való kitettséget. A hőmérsékletet hideg lemez segítségével szabályoztuk, és 25 és 40 °C között maradt. Az ERA létesítmény két tálcából állt: az egyiket optikai ablakokkal ellátott redőny fedte le, amely előre meghatározott időközönként lehetővé tette az UV-sugárzást —hasonlóan az SL létesítményekhez—, a másik pedig termikusan leválasztva volt, ezáltal szimulálva a meteoritba zárt mikroorganizmusok természetes űrutazását. . Utóbbi esetben a mintákat úgynevezett mesterséges meteoritokon belül exponáltuk, azaz különböző talajokkal, kőzetekkel és meteoritporral keverve, és a nap UV-sugárzását különböző long-pass cut-off szűrőkön (𾄐 nm, 𾅰) szűrték ki. nm, 𾊀 nm és 𾊕 nm), vagy egyáltalán nem volt csillapítva. Ez utóbbi tálca hőmérséklete 25ଌ és közel 50ଌ (114, 115) között mozgott, a GCR sugárdózisa pedig elérte a 0,4 Gy-t (216) (​ táblázat (1. táblázat 1).

Az ESA ISS EXPOSE létesítményei az utolsó kifejlesztett entitások a kibocsátási létesítmények sorozatában. Egy EXPOSE egység három tálcából áll, amelyek mindegyikében négy, az SL expozíciós tálcák és az ERA rekeszéhez hasonló rekesz található (​ ábra (11. ábra). 11 ). Az EXPOSE-E létesítményt az STS 122-vel 2008. február 7-én indították el, és járművön kívüli tevékenységgel az ISS európai Columbus moduljához erősítették az Európai Technológiai Eszköz (EuTeF) platform részeként (6). Az EXPOSE-E egyik tálcája a prebiotikus kémiai evolúcióval kapcsolatos kísérletek számára van fenntartva, a második tálca a világűr körülményeit biztosítja (űrvákuum és 𾄐 nm-es nap UV-spektruma), a harmadik pedig olyan körülményeket biztosít, amelyek szimulálják a Mars felszíni klímáját. (600 Pa nyomás, 95% CO2és a napsugárzás 𾈀 nm). Az EXPOSE-E több mint 1 évig marad az űrben. A második EXPOSE létesítmény, az EXPOSE-R, 2008 novemberében indult, és körülbelül 1 évig csatlakozik az URM-D platformhoz, az orosz Svezda modul külső ISS létesítményéhez. Az EXPOSE-E és az EXPOSE-R összesen 13 különböző kísérletet tartalmaz, amelyeket nemzetközi együttműködésben végeznek (6, 102). Mielőtt felbocsátották volna az űrbe, minden EXPOSE-kísérletet gondosan megtervezett földi szimulációs kísérletekkel és kísérletsorozat-teszttel teszteltek, a német Aerospace Center DLR (213) Planetary and Space Simulation Facilities (PSI) segítségével.

Az EXPOSE-E létesítmény az ISS európai Columbus moduljának EuTeF platformjára szerelve. A képet az STS 122 legénysége készítette az ISS elhagyásakor. (Az ESA és a NASA jóvoltából.)

Szerves kémiai vegyületek és mikroorganizmusok hosszú távú (körülbelül 3 hónapig tartó) expozícióját az űrbe 1999-ben a francia Perseus misszió is végrehajtotta az orosz tengeren. MIR állomás (220). Az insolációs idő 1045 óra volt, a hőmérséklet �ଌ és ⭃ଌ között változott. A küldetés során a felső, napsugárzásnak kitett réteg 48,7 mGy, az alsó, sötét réteg 36,8 mGy sugárdózist kapott (​ táblázat (1. táblázat). 1 ). A mikroorganizmusok világűrnek való leghosszabb expozícióját, körülbelül 6 évet (1984-1990), a NASA hosszú távú expozíciós létesítménye (LDEF) küldetése során érték el a német Exostack kísérletben (105). Az LDEF egy földre mutató passzív rácsos szerkezet volt különböző anyagok térbeli stabilitásának tesztelésére (129). A biológiai mintákat egy perforált kupola alatti oldalsó raklapon helyezték el, vagy fedél nélkül, azaz a térparaméterek teljes mátrixának kitéve, vagy kvarcszűrőkkel vagy alumíniumfóliával letakarva (​ ábra (12. ábra). 12 ). 10 9 J/m 2 teljes UV (𾄀 nm) dózist, 4,8 Gy GCR dózist és 60 HZE részecske/cm 2 fluenciát mértek az ugyanazon a raklapon elhelyezett Biostack kísérletek során (105) ( ​ táblázat (1. táblázat). 1 ). Korszerűbb expozíciós létesítmények, amelyek a mintákat nagyon alacsony hőmérsékleten, például 10 K-en tartják az UV-besugárzás során, elvileg már megtervezték, de még meg kell valósítani őket (89). Az ISS japán KIBO moduljához kifejlesztettek egy expozíciós és részecskerögzítő eszközt, amelyet 2010-ben repülésre jelöltek (267).

Az expozíciós körülmények vázlata az Exostack kísérletben (A) az LDEF (B) fedélzetén (nyíl). (Az A panel a 96-os hivatkozásról az Elsevier engedélyével módosítva, a B panel a NASA jóvoltából.)

A rövid időtartamú (10-12 napos) expozíciós kísérletekre az ESA Biopan létesítményei biztosítottak lehetőséget, hengeres, serpenyő alakú, kinyitható fedéllel ellátott tartályok, amelyeket egy orosz leengedő modul külső felületére szereltek fel. Foton műhold (​ (13. ábra) 13 ) (6, 50). A megfelelő pálya elérése után a fedél 180°-ban kinyílik, így az alján és a fedélen végzett kísérletek szabaddá válnak. Az expozíciós feltételek nyomon követésére a Biopan létesítmény beépített UV-, sugárzás- és hőmérséklet-érzékelőkkel van felszerelve. Az emelkedés és a visszatérés során a fedél hermetikusan zárva van, és az egész létesítményt ablatív hőpajzs borítja. 1992 óta öt Biopan küldetést teljesítettek sikeresen (​ táblázat (1. táblázat). 1 ). A NASA jelenleg kis asztrobiológiai műholdakat fejleszt, amelyek a mikroorganizmusok kiválasztott űrparamétereknek való kitettségét is előirányozzák (226). Meteorológiai rakétákkal (63, 153, 228) a mikroorganizmusokat is nagyon rövid ideig (több percig) tették ki az űrbe.

A Biopan létesítmény nyitva van, mint az (A) repülésnél, és fel van szerelve a Foton visszatérő kapszula (B). (Az ESA jóvoltából.)

A világűr tesztágyként a mikroorganizmusok túlélési határainak felmérésére.

Az a kérdés, hogy bizonyos mikroorganizmusok képesek-e életben maradni a világűr zord környezetében, az űrrepülés kezdete óta foglalkoztatja a tudósokat, és lehetőség nyílt a minták űrbe való kitételére. Az első teszteket 1966-ban, a Gemini IX és XII küldetések során végezték, amikor a T1 bakteriofág és a Penicillium roqueforti 16,8, illetve 6,5 óráig voltak kitéve a világűrnek. A visszakeresés utáni elemzések a 3 × 10 𢄥 (Gemini IX) és ς × 10 𢄦 (Gemini XII) túlélő frakcióit eredményezték. P. roqueforti és 2 × 10 𢄦 (Gemini IX) és 3 × 10 𢄥 (Gemini XII) a T1 bakteriofághoz, bizonyítva a teljes űrkörnyezet erős ölő erejét (117). A minták vékony (0,4 mm) alumíniumréteggel való lefedése azonban 3000-szeresére növelte a T1 túlélését és a gombaspórák teljes túlélését. Ez volt az első jele annak, hogy a tér nem áthatoló sugárzása, valószínűleg a nap UV-sugárzása vagy a lágy röntgensugárzás volt a felelős a vizsgálati minták inaktiválásáért. A tér teljes spektrumának kitett mikroorganizmusok hasonlóan magas letalitása később számos mikroorganizmus, köztük élesztősejtek esetében is bebizonyosodott, Aspergillus ochraceous konídiumok, sejtjei Deinococcus radiodurans, és spórái Bacillus subtilis különböző DNS-javító kapacitással (​ (14. ábra) 14) (56, 105, 110, 115). Még ha sókristályokba ágyazott is, a halofil fajok sejtjeibe Halorubrum chaoviatoris több mint 7 nagyságrenddel inaktiválódtak, miután az ESA Biopan 1 létesítményén 2 hetes repülés közben teljes űrbe tették (UV sugárzás dózisa, 10 4 kJ/m 2 ) (158). Egyelőre csak néhány olyan mikrobiális rendszer ismeretes, amely megbirkózik a teljes térkörnyezettel, ezek a zuzmók Rhizocarpon geographicum és Xanthoria elegans, amely teljesen helyreállította a fotoszintetikus aktivitást a 2 hetes Biopan repülésekből (​ (14. ábra) 14 ) (49, 229), valamint a tengeri cianobaktérium sejtjeiből Synechococcus gipsz-halit kristályokban lakott, amelyek szinte normális szénmegkötő képességet tartottak fenn 2 hetes világűr expozíció után (158). A további multimikroszkópos vizsgálatok nem mutattak ki kimutatható ultrastrukturális változásokat a zuzmók legtöbb alga- és gombasejtjénél. Mindkét rendszer - a zuzmók és a halofil cianobaktériumok - rendelkeznek UV-szűrő képességgel, nevezetesen a vastag és sűrű kéreggel, felső rétegként rizokarp és parietin fenolsav UV-szűrő pigmentekkel, valamint bennszülött védelemként a zuzmószimmetria számára (51). , 78), és a sókristályok a cianobaktériumok exogén védelmeként szolgálnak.

Mikroorganizmusok túlélése hosszabb ideig űrvákuumban (azaz a nap UV-sugárzása ellen védve) (töltött szimbólumok) vagy a világűr teljes körülményeinek (azaz űrvákuum, nap UV-sugárzás és kozmikus sugárzás) kitéve (nyitott szimbólumok). A vizsgált mikrobák voltak B. subtilis spórák egyrétegű, többrétegű glükózzal keverve, agyaggal vagy meteoritporral keverve, vagy 1 cm átmérőjű mesterséges meteoritokba ágyazva Haloarcula és a zuzmók Rhizocarpon geographicum és Xanthoria elegans. Az adatok a kísérletekből származnak Foton Biopan, MIR, EURECA és LDEF.

A tér különböző paraméterei biológiai hatásainak feltárásához speciális kísérleti hardverre van szükség, amint azt az SL1, D2, EURECA és az ISS fedélzetén végzett expozíciós kísérletek biztosítják (​ ábra (10. ábra 10 és ​ és 11). 11). A legtöbb térparamétert megfelelően szabályozták a napsugárzást optikai szűrőkkel, a hőmérsékletet aktív hűtéssel és/vagy fűtéssel, a vákuumhoz való hozzáférést pedig szellőzővel vagy hermetikusan lezárt rekeszek segítségével. A GCR elleni árnyékolás azonban szinte lehetetlen, és folyamatosan az űrben lévő összes tesztmintára ütközik. A HZE-részecskék azonban a GCR biológiailag leghatékonyabb összetevői, mivel nagyon alacsony, 6 × 10 𢄥 részecske/év-μm 2 áramlási intenzitásuk miatt több űrmisszió során, például a LDEF küldetés (105), nem sok mikroorganizmust ér el HZE-részecske, és speciális technológiákra van szükség, mint például a Biostack koncepció (29), hogy azonosítsa az érintett mikroorganizmusokat (lásd 𠇋iological Effectiveness of Cosmic Radiation”). A mikrogravitáció egy másik térparaméter, amelyből a sejtek csak akkor léphetnek ki, ha egy beépített 1-es ×-ben tárolják őket. g referencia centrifuga. A mikroorganizmusok mikrogravitációra adott válaszait molekuláris és sejtszinten a “Role of Gravitation in Basic Biological Processes című fejezet tárgyalja.” Meg kell jegyezni, hogy a mikrogravitáció leginkább a sejtek növekedését vagy metabolizmusát zavarja, azonban az expozíciós kísérletekben a rétegek szárazak. sejteket, gomba konídiumokat vagy baktériumspórákat használtak, amelyekre nem volt hatással a gravitációs környezet.

(i) A földönkívüli napsugárzás UV-sugárzásának spektrális hatékonysága.

A Spacelab 1 fedélzetén végzett ES029 kísérlet során kapott fluence-hatás görbékből kiderült, hogy 10 másodpercig a szoláris földönkívüli UV-sugárzás teljes spektrumának (𾆐 nm) való kitettség csökkentette a spórák túlélő hányadát. B. subtilis csaknem 2 nagyságrenddel (106, 107). Akcióspektrumok, amelyeket először a T1 bakteriofág inaktiválására kaptak rakéta repülés közben (153), majd később a T1 bakteriofág inaktiválására. B. subtilis Az SL1, D2 és EURECA fedélzetén végzett kísérletekben a HA 101 spórák (95, 106, 107, 115, 185) korreláltak a DNS abszorpciós spektrumával, ami azt jelzi, hogy a DNS az érzékeny célmolekula a mikroorganizmusok térben történő inaktiválására (2. ​ (15. ábra). 15 ). Ez annak köszönhető, hogy a fotonok abszorpciója és a gerjesztés révén közvetlenül bipirimidin léziók keletkeznek. A vegetatív sejtekben az elsődleges DNS-fototermékek a ciklobután-pirimidin-dimerek és a pirimidin (6-4)-pirimidon-fototermékek, amelyek ugyanazon a DNS-szálon lévő szomszédos pirimidin-maradékok között képződnek (35). A baktériumspórákban az UV-sugárzás túlnyomórészt egy másik bipirimidint, az 5,6-dihidro-5(α-timinil)-timint, az úgynevezett spóra fototerméket (SP) termel (174, 256). Az SP túlsúlya az UV-sugárzással besugárzott spórák DNS-ében különböző tényezőkkel magyarázható, beleértve a spóramag dehidratált állapotát, a nagy mennyiségű dipikolinsav jelenlétét és a kis, savban oldódó spórafehérjék (SASP) kötődését. a α/β típusú DNS-hez (185). A α/β típusú SASP-k kötődése a spórák DNS-éhez, a spóramag kiszáradásával együtt változást idéz elő a spóra DNS spirális konformációjában a B formából A-szerű formába, ami viszont megváltoztatja a spórák DNS-ét. UV fotokémia az SP termelésének előnyben részesítésére (58, 232). Az SP rendkívül hatékonyan javítható a spórák csírázása során, egy SP-specifikus helyreállító útvonalon keresztül, az SP liáz (180, 214, 236) segítségével.

A spórák inaktiválásának hatásspektruma B. subtilis HA 101 földön kívüli nap UV-sugárzással, űrvákuumnak (kék körök) vagy 10 5 Pa levegőnek vagy argonnak (piros körök) kitéve. Az adatok az SL1, D2 és EURECA kísérletek átlagértékei. A spektrumokat 1-re normalizáltuk λ = 260 nm-en 105 Pa nyomáson. Összehasonlításképpen a DNS-károsodás hatásspektruma látható (szaggatott vonal). (Módosítva a 115-ös hivatkozásról az Elsevier engedélyével.)

Még az extrém UV (EUV) (10-190 nm) is hatékonyan pusztította el a mikroorganizmusokat az űrben, amint azt a B. subtilis sp. törzs PD3D és D. radiodurans rakéta repülés közbeni 30 nm-es EUV-nek való rövid expozíció után (228). Ebben az EUV tartományban az inaktiválás spektrális hatékonysága meredeken növekszik a fotonok energiájának növekedésével (99). Mivel ez a növekedés nem tükröződik a DNS cukor-foszfát rész abszorpciós görbéjében lévő DNS-bázisok abszorpciós spektrumában (122), arra a következtetésre jutottak, hogy a DNS-száltörések felelősek lehetnek a mikroorganizmusok EUV általi elpusztításáért. A DNS-sel való közvetlen kölcsönhatás mellett az EUV-sugárzás közvetetten is befolyásolhatja a DNS-t reaktív oxigénfajták létrehozásával, amelyek egy- és kétszálú töréseket indukálhatnak a DNS-ben (​ ábra (4. ábra). 4). Valójában a DNS-szálszakadások növekedését észlelték a pUC19 plazmiddal, miután EUV-vel sugározták be űrszimulációs berendezésekben (99, 260). A mikroorganizmusokban azonban az EUV-t nagyrészt a külső rétegek abszorbeálhatják, ami a DNS helyett a membránfehérjék károsodását eredményezheti (228). A károsodás biológiai következményeit tovább kell vizsgálni. A sejtekben DNS-száltöréseket, valamint DNS-fehérje-keresztkötéseket is kimutattak D. radiodurans és Halorubrum chaoviator (korábban ún Haloarcula sp. és Halo-G) konídiumaiban Aspergillus ochraceus, spóráiban B. subtilis, valamint a pBR322 plazmidban, amelyeket a földönkívüli szoláris UV teljes spektrumának (𾄐 nm vagy 𾅰 nm) vetettek ki különböző űrküldetések során (56, 107, 158). Ezeket a jól ismert pirimidin UV fototermékek mellett (34, 106, 107) állítottuk elő. Az UV-sugárzás által kiváltott DNS-károsodás felhalmozódhat az űrbe kerülés során, ami végül súlyos következményekkel járhat a genom integritására nézve, amikor a sejtnövekedés és replikáció újraindul.

(ii) Térvákuum által kiszáradási hatások.

Az űrvákuum (10 𢄧-10 𢄤 Pa) (​ (1. táblázat) 1 ) egy másik káros tényező, amely befolyásolja a mikrobiális integritást. Ha a sejteket nem védik belső vagy külső anyagok, a kiszáradás súlyosan károsítja a sejtösszetevőket: a lipidmembránok sík kettős rétegből hengeres kettősrétegekké alakulhatnak át, és a szénhidrátok, fehérjék és nukleinsavak amino-karbonil reakciókon (Maillard-reakciók) mennek keresztül. a biomolekulák térhálósodását és végül polimerizációját eredményezik (45). Ezek a szerkezeti változások funkcionális változásokat idézhetnek elő, például gátolt vagy megváltozott enzimaktivitást, változásokat a membránpermeabilitásban és a genetikai információ megváltozását. Ez utóbbi változás különösen drámai, mert sejthalálhoz vagy mutagenezishez vezethet. A nagymértékben kiszáradásnak ellenálló baktériumspórákban a spóramag víztartalma természetes módon a nedves tömegük 25-45%-ára csökken. Ennek következtében a fehérjék mozdulatlanok és az enzimek inaktívak a spórafázisban (231).

Az űrvákuum hatásainak meghatározására olyan mikroorganizmusokat vizsgáltak, amelyek szellőztetett rekeszekben térnek ki, de a nap UV-sugárzása ellen védettek. Bár számos mikrobáról ismert, hogy ellenáll a kiszáradásnak, nem sokan voltak képesek megbirkózni a nagy vákuum mechanikai igénybevételével. Például a kiszáradásnak ellenálló baktérium sejtjei Deinococcus radiodurans Az EURECA küldetése során 9 hónapig tartó űrvákuumnak való kitettség után meghaltak (56). Ugyanebben a kísérleti sorozatban a konídiumok Aspergillus niger és a Aspergillus ochraceus dacolt az űrvákuummal, és a túlélési arány körülbelül 30%, illetve 5% volt. Spórái B. subtilis az egyrétegű rétegekben szárított és 10 napig űrvákuumnak kitett vad típusú és javítási hiányos törzsek 70%, illetve 50% túlélést mutattak (95). Közel 6 év űrvákuumban töltött B. subtilis egyrétegű spórák túlélték a hosszú távú űrvákuum hatását (​ (14. ábra) 14) (105). A túlélés jelentősen megnőtt, ha védőanyagokat, például cukrokat vagy puffersókat adtunk a spórákhoz. A többrétegű, 5% glükóz jelenlétében előszárított spórák 70%-a (90%) túlélte az LDEF fedélzetén 6 évig tartó űrvákuum hatását (​ (14. ábra) 14) (95, 105) .

A következő mechanizmusokat javasolták a spórák megfigyelt megnövekedett túlélésére űrvákuumban, ha védőanyagok jelenlétében vannak kitéve: (i) az adalékok további vízmolekulákat kötnek meg, ezáltal megakadályozzák a sejt teljes kiszáradását (pl. szénhidrátok) (ii) adalékok kicserélik a vízmolekulákat, ezáltal stabilizálják a makromolekulák szerkezetét (pl. polialkoholok) és (iii) az adalékok a spórákat egy víz számára kevésbé áteresztő réteggel vonják be, ezáltal magasabb víznyomású mikroklímát építenek ki e réteg alatt (összefoglalva a 95. hivatkozásban). Az LDEF-misszió során a három mechanizmus kombinációja a spórák magas túléléséhez vezethetett száraz többrétegű rétegekben glükóz jelenlétében.

Az űrvákuum mutagenitását először az SL1 küldetés során észlelték, amikor a spórák expozícióját követően B. subtilis űrvákuumra a hisztidin revertánsok gyakorisága 10-szeresére nőtt (106). Az űrvákuumnak ez a mutagén hatása, amelyet azóta más űr- és laboratóriumi kísérletek is megerősítettek, valószínűleg a DNS korlátozott helyein történő tandem kettősbázis-változások egyedi molekuláris aláírásán alapul (181). Ezt a spórákkal végzett vizsgálatok megerősítették B. subtilis TKJ6312 törzs kettős DNS-javító hibával (uvrA10 spl-1). A nalidixsav-rezisztencia mutációit illetően a nagy vákuum által kiváltott mutációk többsége egy adott allélhoz tartozott, gyrA12, amely tandem bázisváltást tartalmaz, 5′-CA az 5′-TT-re, a 84. kodonnál gyrA gén, amely az A DNS-giráz alegységet kódolja. Munakata et al. (181) arról számoltak be, hogy ezt az allélt soha nem találták meg több mint 500 különböző kezeléssel nyert mutáns között, kivéve, ha vákuumnak voltak kitéve.

A vákuum által kiváltott mutagenezis azt jelzi, hogy a spórákban lévő DNS az egyik olyan kritikus molekula, amely érzékeny a vákuumnak való kitettségre. A vákuum hatására növekvő vízveszteség a DNS részleges denaturálódásához vezet (64). A következmények DNS-száltörések, amelyeket a sejtekben azonosítottak D. radiodurans és a Halo-G, amelyet jelenleg a következő néven azonosítanak: Halorubrum chaoviatoris (159), valamint spóráiban B. subtilis, űrvákuumnak való kitétel után (55, 56, 158). A TKJ 8431 hármas mutáns javítóhiányos törzs spórái (uvrA10 ssp-1 recA1) nak,-nek B. subtilis, amelyek hiányosak a rekombináció javításában, voltak a legérzékenyebb példányok űrvákuum körülmények között (115). Térszimulációs eszközök segítségével Moeller et al. (170) kimutatták, hogy az NHEJ egy nagyon hatékony helyreállító útvonal a spórákban indukált DNS DSB-k számára. B. subtilis nagy vákuummal. Feltételezik, hogy az NHEJ kulcsfontosságú stratégia, amelyet a spórák csírázása során alkalmaznak az ultra-nagy vákuum által kiváltott extrém kiszáradás, valamint más extrém tényezők, például az UV és az ionizáló sugárzás által okozott DSB-k helyreállítására, amelyek a zord környezetnek való hosszan tartó expozíció során tapasztalhatók. a tér. Ezek az eredmények azt mutatják, hogy a DNS kényszerített kiszáradása a spóramag mikrokörnyezetében egyedi károsodást okozhat, mutagén és végül halálos következményekkel. A spórák túlélése végső soron a rehidratáció és a csírázás utáni DNS-javítás hatékonyságától függ.

A bakteriális endospórák űrvákuummal és nagymértékben kiszáradással szembeni nagyfokú rezisztenciája elsősorban a vastag védőburokba zárt dehidratált magnak, a kéregnek és a spóraburok rétegeinek, valamint a DNS-ük kis fehérjék általi védelmének köszönhető, amelyek kötődése nagymértékben megváltozik. a DNS kémiai és enzimatikus reaktivitása (185). Azonban a stratégiák, amelyekkel B. subtilis A spórák védik integritásukat, beleértve a DNS-ét is, a vákuumkárosodás ellen még nem teljesen ismertek. A nem redukáló cukrok, mint például a trehalóz vagy a szacharóz, általában segítenek megelőzni a DNS, a membránok és a fehérjék károsodását azáltal, hogy a kiszáradási folyamat során kicserélik a vízmolekulákat, és ezáltal megőrzik a biomolekulák háromdimenziós szerkezetét. Bár a baktériumspórák természetesen nem halmozzák fel ezeket az anyagokat, a spórákhoz glükóz hozzáadása jelentősen megnövelte a spórák túlélési arányát űrvákuumban.

(iii) Az űrvákuum és a szoláris földönkívüli UV-sugárzás kölcsönhatása mikroorganizmusokban.

Amikor a spórák B. subtilis egyidejűleg voltak kitéve a nap UV-sugárzásának és az űrvákuumnak, 5-10-szer nagyobb érzékenységgel reagáltak a nap UV-sugárzásának széles spektrumára (𾅰 nm), valamint a kiválasztott hullámhosszokra a levegőben történő UV-sugárzáshoz képest vagy argon légköri nyomáson (10 5 Pa) (​ ábra (15. ábra). 15 ). Dehidratációkor, például űrvákuumban, a DNS jelentős konformációs változásokon megy keresztül, például reverzibilis denaturáción (64). Ez az átalakulás a fizikai szerkezetben megváltozott DNS fotokémiához vezet. A DNS-ben keletkező fototermékek B. subtilis a vákuumban UV-sugárzásnak kitett spórák különböztek a nedves spórákban indukáltaktól. Az ultraibolya sugárzás által a spórákban légköri nyomáson kiváltott domináns fototermék a dipirimidin-5,6-dihidro-5(α-timinil)timin, az úgynevezett spórafotótermék (256). A vákuumban UV-sugárzással besugárzott spórákban további két timin bomlástermék, nevezetesen a cis-syn és transz-syn ciklobután-timin dimereket, valamint DNS-fehérje térhálósodást találtak (106, 107, 150) a spóra fototermék mellett. Jelenléte transz-syn A dimerek egy másik utalás a vákuummal részben denaturált DNS-re (64), mert csak akkor jöhetnek létre, ha az egyik timin 180°-kal elfordul a szomszédoshoz képest. Az 5,6-dihidro-5(α-timinil)timin túlnyomórészt UV (254 nm) általi indukcióját a spórákban és a száraz DNS-mintákban nemrégiben igazolták nagy teljesítményű folyadékkromatográfiás tömegspektrometriával (57, 58). , 171, 174). Ennek a rendkívül pontos technikának az UV-sugárzással besugárzott spórák DNS-ében lévő fototermékek vákuumban történő elemzésére történő alkalmazása jelenleg is vizsgálat alatt áll (R. Moeller, személyes közlemény). Az eddigi adatok a spórák DNS-ének megváltozott konformációjára utalnak űrvákuumban, ami különböző fototermékekhez vezet.

A mikroorganizmusok bolygóközi szállításának valószínűsége természetes folyamatok révén.

Svante Arrhenius 1903-ban publikálta a 𠇍ie Verbreitung des Lebens im Weltenraum” (“the Distribution of Life in Space”) című cikkét Die Umschau, ezáltal tudományos indoklást adva a pánspermia elméletéhez (4). Az elmélet, amelyet ma radiopanspermiának (184a) hívnak, azt feltételezi, hogy az élet mikroszkopikus formái, például a spórák, a nap sugárzási nyomásának hatására terjedhetnek az űrben, és ezáltal életet ültethetnek egyik bolygóról a másikra, vagy akár bolygók között is. különböző napelemes rendszerek. Arrhenius arra alapozta megfontolásait, hogy a Naprendszerünk bolygói közötti tér hemzseg a mikrométeres kozmikus porrészecskéktől, amelyek kritikus, 1,5 μm alatti méretben sugárzással terjedő nagy sebességgel elszállnának a Naptól. a nap nyomása. Mivel azonban hatékonysága a részecske méretének növekedésével csökken, ez a mechanizmus csak nagyon apró részecskékre vonatkozik, mint például az egyes baktériumspórákra. A pánspermiát végül erősen kritizálták, mert nem ad választ az élet eredetének kérdésére, csupán magyarázat nélkül egy másik égitestre helyezi. Azért is kritizálták, mert kísérletileg nem tesztelhető. Továbbá azt feltételezték, hogy az egyes spórák nem fogják túlélni a rájuk ható fizikai erőket az űrben (191). Ennek eredményeként a pánspermia feledésbe merült.

A pánspermia fogalma újjáéledt, amikor a technológia lehetővé tette a baktériumspórák túlélésének és az űr zord környezetének tanulmányozását. Amint azt a 𠇊 világűr, mint a mikroorganizmusok túlélési határainak felmérésére szolgáló tesztágy ismerteti,” azt találták, hogy az izolált spórák B. subtilis több nagyságrenddel meghaltak, ha néhány másodpercre a teljes űrkörnyezetnek voltak kitéve. Ezek az eredmények egyértelműen cáfolják az eredeti pánspermiás hipotézist, amely egyetlen spórát követel meg űrutazóként, amelyet a nap sugárzási nyomása felgyorsít, és sok évre van szükség a bolygók közötti utazáshoz.

A közelmúltban mintegy 40 marsi meteorit felfedezése a Földön (73 The Mars Meteorite Compendium [http://curator.jsc.nasa.gov/antmet/mmc/index.cfm]) bizonyítékot szolgáltat arra, hogy a kőzetek természetes úton is átvihetők a földi bolygók között. . Ezt már 1871-ben elképzelte Hermann von Helmholtz és Lord Kelvin is, akik a pánspermia olyan változatát részesítették előnyben, amelyben földönkívüli kőzettöredékek, amelyek mikrobákat hordoztak repedéseikben vak utasként, szállították az életet egyik bolygóról a másikra (184a, 249). Lord Kelvin élete során azonban nem ismertek olyan mechanizmust, amely felgyorsította volna a sziklákat, hogy elkerüljék a sebességet, hogy elhagyják származási bolygójukat, így Kelvin ötletét elvetették.

Ma már tudjuk, hogy a marsi meteoritok km-es méretű aszteroidák vagy üstökösök becsapódása következtében löktek ki a Marsról. A sokk-metamorfizmusuk petrográfiai vizsgálatai és a marsi kőzetek becsapódás által kiváltott kilökődésének numerikus szimulációi a Mars szökési sebességén túl azt mutatták, hogy a marsi meteoritok kilövési ablaka körülbelül 5 és 55 GPa között van, a lökés utáni hőmérséklet pedig körülbelül 100-#x000b0C-ig terjed. 600ଌ (5, 73). Bár az ilyen becsapódások nagyon erőteljesek, a kilökődés bizonyos része nem melegszik 100ଌ fölé. Ezek az alacsony hőmérsékletű töredékek kilökődnek az úgynevezett spall zónából, azaz a cél felületi rétegéből, ahol a visszavert lökéshullámnak a közvetlen lökéshullámra (164) történő szuperponálása jelentősen csökkenti a keletkező sokkot. Becslések szerint a Naprendszer történetében több mint egymilliárd kőzetdarab került ki a Marsból 100ଌ-ot meg nem haladó hőmérsékleten, ebből körülbelül 5% érkezhetett a Földre (167). Ennélfogva a Földön eddig észlelt 40 marsi meteorit a Marsról a Földre importált mennyiségnek csak végtelenül csekély hányadát teszi ki. A földkéregben élő nagyszámú mikroorganizmus felismerése (14, 62, 193) alátámasztja a pánspermia becsapódások által vezérelt, kőzet által közvetített forgatókönyvét, amelyet ma “litopanspermia”-nek neveznek (103).

A litopanspermia forgatókönyve három alapvető hipotetikus lépésből áll: (i) a szökési folyamat, azaz a biológiai anyag eltávolítása a világűrbe, a felszínről nagy magasságba való felemeléssel és a szökési sebesség elérésével való túlélés (ii) átmeneti állapot a térben, azaz a biológiai anyag túlélése a bolygóközi áthaladáshoz hasonló időskálákon és (iii) a belépési folyamat, azaz a biológiai anyag roncsolásmentes lerakódása egy másik bolygón (103, 185). A litopanspermia mindhárom lépése ma már elérhető mikroorganizmusokkal végzett kísérleti tesztelésre, akár űrkísérletekben, akár földi szimulációs eszközökkel.

Annak a kérdésnek a megválaszolása érdekében, hogy az endolit mikroorganizmusok túlélhetik-e a meteorit becsapódási és kilökődési esemény zord körülményeit, a hipersebességű hatásokat sokk-visszanyerési kísérletekben szimulálták erősen robbanásveszélyes elrendezéssel (103, 104, 172, 239) vagy mikrobákkal terhelt gyorsítással. lövedékek puskával vagy gázfegyverrel (31, 32, 161). A szisztematikus sokk-helyreállítási kísérletekben a marsi meteoritoknál megfigyelteket utánzó 5-50 GPa nyomástartományokat alkalmaztak a mikroorganizmusok (spórák) száraz rétegeire. Bacillus subtilis, az endolit cianobaktérium sejtjei Chroococcidiopsis, és a zuzmó Xanthoria elegans), amelyeket marsi analóg kőzetlemezek közé helyeztek. Az ilyen szimulált hipersebességű behatási folyamatok révén a mikroorganizmusokat fizikai stressz-paraméterek összetett mátrixának vetik alá, beleértve (i) meghatározott, 5-50 GPa-ig terjedő extrém sokknyomásokat (ii) a sokk csúcshőmérséklet-növekedését akár körülbelül 1000ଌ-ig, és hosszan tartó nanoszekundumos (iii) ütési hőmérséklet-növekedés akár 200ଌ-ig, amely a μs töredékéig tart (iv) ütés utáni hőmérsékletnövekedés akár 300ଌ-ig, amely néhány másodperctől néhány percig tart, és végül (v) mechanikai igénybevétel súrlódás és/vagy zúzás hatására. A hőmérséklet nagysága nemcsak a lökés előtti hőmérséklettől függ, hanem a minta hordozókőzetének ásványtani összetételétől, porozitásától és víztartalmától is. A spórák hipersebességű kezelése B. subtilis közel exponenciális túlélési görbét eredményezett (​ ábra (16. ábra). 16 ). Lejtése a preshock hőmérséklet csökkenésével csökkent, ami azt jelzi, hogy a sokknyomás által kifejtett potenciális mechanikai igénybevételen túl az ezzel járó magas csúcshőmérséklet is kritikus stresszparaméter volt a spórák számára. Ezenkívül az alkalmazott nyomás nagy gyakorisággal (9%-ig) lineárisan indukálta a spóraképződés-hibás mutánsokat (172). Spórái B. subtilis a fő SASP-kben hibás törzsek (α/β-típusú SASP-k), amelyek nagymértékben védik a spóra DNS-t, és az NHEJ DNS-javításban hiányos törzsek szignifikánsan érzékenyebbek voltak az alkalmazott sokknyomásra, mint a vad típusú spórák. Ezek az eredmények arra utalnak, hogy a DNS lehet az ultramagas sokknyomásnak kitett spórák túlnyomórészt érzékeny célpontja (172). A különböző tesztelt organizmusok nyomástúlélési görbéiből (​ ábra (16. ábra), 16 ) a kőzettelepítő mikroorganizmusok Mars-szerű bolygóról történő szállításának létfontosságú indítóablakára következtettek, amely magában foglalja a sokknyomást 5-40 GPa a bakteriális endospórák és zuzmók, míg az endolit cianobaktériumok esetében egy korlátozottabb (5-10 GPa). Ezek a baktériumspórák számára létfontosságú kilövőablakok elég nagyok ahhoz, hogy alátámasszák a Mars-szerű bolygók életképes becsapódásának koncepcióját (103, 239), bár a cianobaktériumok korlátozott, 5-10 GPa-os diszperziós szűrője feltárja a fotoszintézis keresztbeoltásának lehetséges akadályait. bolygók között (40).

A túlélés az alkalmazott sokknyomás függvényében a sokk-helyreállítási kísérletek során a spórákkal B. subtilis TKL 6312 és sejtjei Chroococcidiopsis sp. (A) és vitalitása Xanthoria elegans lichen mycobionts és fotobionts gabbro kőzetlemezekbe zárva (B). A nyitott körök az észlelési küszöb alatti túlélést jelzik. (Módosítva a 103-as hivatkozásról a kiadó engedélyével.)

Az életképes mikrobák egyik bolygóról a másikra való átviteléhez a mikroorganizmusoknak nemcsak a szökési folyamatot kell túlélniük, hanem az űrutat is a marsi meteoritok által tapasztalt időskálán belül, azaz 1 és 20 millió év között. A meteoritok kis százaléka azonban néhány hónapon vagy éven belül eljuthat a Föld és a Mars között, vagy fordítva, amint azt a modellszámítások kimutatták (164a). Ahhoz, hogy túléljék az űrutazást, a mikroorganizmusokat védeni kell a nap UV-sugárzásától. Ezt különböző vastagságú porrétegekkel lehet elérni. Az ESA Biopan létesítményét 2 hetes űrkísérletekhez használva kimutatták, hogy a B. subtilis agyaggal, kőzet- vagy meteoritporral 3-4 nagyságrenddel növelték túlélésüket az adalékanyag nélküliekhez képest (110). A spórák beágyazása egy 1 cm átmérőjű, agyagból vagy vörös homokkőből álló gömbbe, akár 100% túlélést eredményezett (‛ ábra (14. ábra). 14) ). Az azonban kérdéses, hogy a Biopan kísérletekben kimutatott por UV-árnyékolás hosszabb ideig tart-e a térben. Három hónapos expozíciós vizsgálatok a fedélzeten MIR állomáson csak kismértékben, körülbelül 1 nagyságrenddel nőtt a túlélés, ha a spórákat agyagporral vagy különféle meteoritokkal keverték össze (220). Ha azonban teljesen le van védve a nap földönkívüli UV-sugárzásától, a spórák B. subtilis évekig fennmaradhat az űrben, amint azt a közel 6 éves LDEF-misszió fedélzetén végzett Exostack-kísérlet mutatja (​ (14. ábra) 14 ) (105).

Végül, ha a meteoritanyag nem védi kellően, a mikrobákat befolyásolhatják a GCR ionizáló komponensei. Különösen a galaktikus kozmikus sugárzás HZE részecskéi okozzák a legtöbb kárt a biológiai rendszerekben. Alacsony fluxusuk miatt (pl. 1 Fe-ion μm 2 per 100 000–1 millió év, ami a marsi meteoritok Földre jutásának alsó határideje) (80) a károsodás lokalizált, és kevés mikroorganizmus szenved ütéseket egy bolygóközi utazás időskáláján belül. Ezenkívül a kőzet belsejéből, az ásványi anyagokat alkotó elemek (például kálium) bomlásából származó sugárzás súlyos sejtkárosodást és több millió éven át tartó halált okoz. Figyelembe véve a túlélési valószínűséget az űrben előforduló veszélyek összetett keveréke, azaz a sugárzási károsodás, a DNS hidrolízis általi bomlás és a vákuum expozíció tekintetében, Mileikowsky et al. (167) kvantitatív tanulmányukban kimutatták, hogy az életképes mikrobák természetes átvitele a Marsról a Földre és fordítva a legalább 1 méteres marsi kőzeteken keresztül nagyon valószínű folyamat, amely naprendszerünk története során sokszor előfordulhatott. Az eredeti pánspermiás hipotézis (4) szerint azonban az egyes baktériumspórák néhány percen belül elpusztulnának a napenergiás UV-sugárzás hatására (110). A modellszámítások kimutatták, hogy az életképes mikroorganizmusok kilökődés útján történő szállítása a különböző naprendszerek bolygói között nagyon valószínűtlennek tűnik, még akkor sem, ha feltételezzük, hogy a mikrobák több tízmillió évig fennmaradhatnak az űrben (253). Ha azonban figyelembe vesszük, hogy egy csillagrendszer egy csillaghalmazon belül alakul ki, ahogy azt a mi Naprendszerünkre feltételezzük, akkor nem zárható ki az élet átvitelének lehetősége a testvérrendszerek között (253).

Amikor egy légkörrel rendelkező bolygó befogja, a legtöbb meteorit nagyon magas hőmérsékletnek van kitéve a leszállás során. Mivel a teljes visszatérési folyamat néhány másodperctől akár 1 percig is tart, a legkülső rétegek fúziós kérget képeznek, így a hő nem éri el a meteorit belső részeit. Ennélfogva, a felszínen található néhány mm-es vagy cm-es ablációs kéreg kivételével, a meteorit belseje nem melegszik fel jelentősen a térbeli hőmérséklete fölé (ezt a 63. hivatkozás tárgyalja). A kőzetek ásványtani változásainak, a zárt mikrofosszíliák stabilitásának és az endolit mikroorganizmusok túlélésének tanulmányozására a visszatérési folyamat során az ESA kifejlesztette a STONE létesítményt, amely egy orosz hőpajzsához van rögzítve. Foton műhold (​ (17. ábra) 17 ) (23, 24, 42, 262). A cél az volt, hogy szimulálják a meteorit bejutását a Föld légkörébe. A 2 cm vagy annál kisebb vastagságú magmás vagy üledékes kőzetekben a hátoldalon lyukakat fúrtak, és mikroorganizmusokkal (spórák) töltötték fel. B. subtilis és a gomba Ulocladium atrum valamint a sugárzásnak és kiszáradásnak ellenálló endolit cianobaktérium sejtjei Chroococcidiopsis sp.) (24, 42). Ezenkívül a zuzmó Rhizocarpon geographicum, természetes gránit élőhelyén, a STONE létesítménybe szerelték fel, hátulról. Az Foton A STONE létesítményt tartalmazó kapszula 7,7 km/s sebességgel lépett be a Föld légkörébe, ami a közepes méretű meteoroidok 12-20 km/s alatti sebessége. A belépési folyamat során a minták hőmérséklete elég magas volt ahhoz, hogy megolvadjanak a szilícium-dioxid és a bazalt. Ezek a hőmérsékletek fúziós kéreg kialakulását okozták a mintákon. Egyik biológiai minta sem élte túl ezt a légköri bejutást (262).Azzal érveltek, hogy a 2 cm-es kőzetborítás nem volt elég vastag ahhoz, hogy megvédje a mikroorganizmusokat, vagy hogy az abláció során felszabaduló forró gázok átjárják a minta és a mintatartó közötti teret, ami intenzív helyi melegítéshez vezetett. Ezt a feltételezést megerősítette a kőzetminták nem exponált felületein megfigyelt felületi olvadás (24). Az endolit mikroorganizmusokat hordozó meteoritok visszatérésének valósághűbb szimulációja érdekében a STONE létesítményt módosítani kell, hogy nagyobb kőzetminták is elférhessenek.

STONE létesítmény a stagnálási pontra szerelve Foton visszatérő kapszula, kilövés előtt (A) és visszatérés és leszállás után (B). (Az ESA jóvoltából.)

A meteoroidok űrből való hipersebességű bejutásának szimulálására egy másik megközelítésben szondázó rakétákat alkalmaztak, amelyekben a gránitmintákat a spórák átitatják. B. subtilis A WN511 a rakéta felszínének különböző helyeihez van rögzítve (63). Ebben az esetben a belépési sebesség 1,2 km/s volt, a hőmérséklet pedig elérte a 145ଌ-ot, ami messze elmarad a meteoroidok behatolásának tényleges helyzetétől. 1-4% spóratúlélőt izoláltunk minden felületről, kivéve az előre néző felületről. Érdekes, hogy a túlélők közül körülbelül 4%-nél alakult ki spórahibás mutáns, ez a jelenség a spórákra ható hipersebesség-hatások után is megfigyelhető. B. subtilis (172).

Egy másik példát a mikroorganizmusok “safe bejutására” jelentettek a tragikus baleset után. Kolumbia az STS-107 űrsikló, amely a visszatérés során 61,2 km-es magasságban szétesett. Kolumbia felülethez tapadó populációit alkalmazó mikrobiológiai kísérletet alkalmaztak E. coli ATCC 23848, Chromobacterium violaceum ATCC 12472 és Pseudomonas aeruginosa PAO1. Egyik mikroorganizmus sem élte túl a balesetet. Azonban egy lassan növő, hőálló baktérium, amelyet a Microbispora sp., a kísérlet hardveréből került vissza. Azt feltételezték Microbispora sp. az indulás előtt a hasznos teher környezetszennyezője volt (162). Egy másik példa a fonálféreg Caenorhabditis elegans, amelyet az STS-107 (az űrsikló) fedélzetén termesztettek Kolumbia). A hatalmas helyreállítási erőfeszítés során élő szervezetek kerültek elő (241). Ezek az adatok azt mutatják, hogy az állatok túlélhetik a viszonylag védtelen visszatérést a Föld légkörébe, aminek kihat az élő anyagok űrrepülés közbeni csomagolására, a bolygóvédelemre és az élet bolygóközi átvitelére.

Alkalmazott szempontok

Gyógyszerészeti vegyületek biotermelése pályán.

Egy űrrepülési biológiai kutatási platform a korábban ismertetett alapvizsgálatokon túlmenően kínál kereskedelmi alkalmazási lehetőségeket, amelyek a gravitáció sejtjelenségekre gyakorolt ​​​​hatásának jellemzésére irányultak. Ebben az esetben nem annyira annak a kísérletnek a feltárására irányul, hogy a mikrogravitáció hogyan változtatja meg a normál biológiai válaszokat, hanem inkább az alkalmazott kutatásokkal foglalkozik, hangsúlyozva, hogy a mikrogravitáció hogyan használható molekuláris vagy sejtszintű folyamatok manipulálására a kívánt eredmény javítása érdekében. Az űrben végzett biológiai feldolgozás egyik legjellegzetesebb tulajdonsága abban rejlik, hogy képesek a sejteket folyékony közegben szuszpendálva tartani anélkül, hogy jelentős nyíróerőt kölcsönöznének, amely gyakran kíséri a felkavart földi rendszereket (133). Az űralapú gyógyszerkutatás lehetőséget kínál arra, hogy jobban megértsük a biofolyamatok végbemenetelét azáltal, hogy megszüntetjük a gravitáció folytonos hatását a sejtről és a környező környezetről. Ez az egyedülálló kutatási környezet új távlatokat nyit a nem szokványos biofeldolgozási technikák feltárása előtt, talán kezdetben a földi termelési létesítményekben alkalmazható ismeretek megszerzéséhez, de az űrben található termékek jövőbeli elképzeléseihez is, amelyek elegendő hozzáadott értéket biztosítanak a kereskedelmileg életképes, a pályán történő gyártáshoz.

I) Másodlagos metabolit termelés.

Azon az alapkutatáson alapulva, hogy az űrrepülés általában elősegíti a baktériumok szaporodását, feltételezték, hogy a kereskedelmi jelentőségű másodlagos metabolittermelés szintén fokozható. A válasz jellemzésére irányuló kísérletsorozat első részében Lam et al. (143) kimutatta, hogy a gomba monordentermelése Humicola fuscoatra megnövekedett, amikor két különböző szilárd agar táptalajon tenyésztettük térben. Érdekes módon a növekedés a megnövekedett fajlagos termelékenységnek tulajdonítható, mivel a gombák biomasszája nem különbözött szignifikánsan a repülési és a földi kultúrák között. Egy nyomon követett űrrepülési kísérlet hasonlóképpen kimutatta az aktinomicin D fajlagos termelékenységét Streptomyces plicatus szuszpenzióban is növelni kell (142). Egy kapcsolódó törekvésben Brown és mtsai. (27) azt találta E. coli nemcsak térben (és clinorotáció alatt) értek el magasabb sejtkoncentrációt, hanem több glükóz fogyasztása nélkül is, ami arra utal, hogy a tápanyag-hasznosítás hatékonyabb folyamata kísérte a növekedés növekedését. Ezek az ígéretes vizsgálatok egy olyan kísérletben csúcsosodtak ki, amelyet az ISS fedélzetén elhelyezett automatizált betáplált szakaszos reaktorral végeztek, amely megerősítette azokat az eredményeket, amelyek szerint az aktinomicin D-termelés Streptomyces plicatus nőtt a küldetés első 2 hetében. A 72 napos inkubáció hátralévő részében utólag vett minták azonban fordított eredményeket adtak, a földi kontrollok jobban teljesítettek, mint a repülési kultúrák (18). Ezek az eltérő eredmények arra utalnak, hogy hosszabb távú űrkutatásokra lehet szükség ahhoz, hogy teljes mértékben jellemezzék, hogyan viselkednek végül a mikroorganizmusok hosszabb időn keresztül.

Egy másik antibiotikum-termelési vizsgálat, amelyet kanglemycin C-vel (K-C) végeztek. Nocardia mediterranei var. kanglensis 1747-64, 2002-ben hajtották végre egy pilóta nélküli kínai jármű fedélzetén, Sencsou III. Különféle kimenetelekről számoltak be, a megfigyelt hozamnövekedéstől egészen 12,5 ± 0,2 x 003 bcg/ml-ig a repülés utáni mutáns F-210 törzs (268) megváltozott morfológiájáig és tenyésztési jellemzőiig.

További földi kutatásokat végeztek a másodlagos metabolittermelés értékelésére az RWV bioreaktor mikrogravitációs szimulációs technikájával. Fang és mtsai. (66) a szimulált mikrogravitáció hatását vizsgálta a rapamicin termelésére Streptomyces hygroscopicus és csökkent száraz sejttömegről számoltak be, a növekedés pellet formájában és a rapamicin termelés gátlásával. A gyöngyök hozzáadása csökkentette a pelletálást és növelte a száraz sejttömeget anélkül, hogy befolyásolta volna a rapamicin termelést, és érdekes módon arányosan nagyobb mennyiségű rapamicin volt extracellulárisan lokalizálva a szimulált mikrogravitációs környezetben, gyöngyökkel és anélkül is, mint normál gravitációs körülmények között (65, 76, 85).

Ii. Vakcinafejlesztés.

Egy sor kereskedelmileg támogatott vakcinafejlesztési kísérletet végeztek az űrrepülésben bekövetkezett megváltozott mikrobiális virulencia alapján. Ezek a lehetőségek, amelyeket most az ISS fedélzetén hajtanak végre, a National Lab Pathfinder (NLP) küldetések részét képezik. Az NLP projektek célja vakcina kifejlesztése a hasmenést okozó törzsek ellen. Salmonella, amelyre jelenleg nem áll rendelkezésre vakcina. A vizsgálat elindításával történik S. enterica és Caenorhabditis elegans a férgek elkülönített tárolóban, majd sorozatosan összekeverik, növesztik és repülés közben rögzítik. További információk a NASA következő webhelyein érhetők el: http://www.nasa.gov/mission_pages/station/science/experiments/NLP-Vaccine-1A.html, http://www.nasa.gov/mission_pages/station/ science/experiments/NLP-Vaccine-1B.html, http://www.nasa.gov/mission_pages/station/science/experiments/NLP-Vaccine-2.html és http://www.nasa.gov/mission_pages /station/science/experiments/NLP-Vaccine-3.html.

Ezek az ígéretes kísérleti tanulmányok a megnövelt antibiotikum-termelés hatékonyságának és a mikrobiális űrkutatásból származó új vakcinák fejlesztésének potenciálisan előnyös kereskedelmi alkalmazásaira utalnak, azonban e kutatásból még nem állnak rendelkezésre meggyőző eredmények.

Mikrobás virulencia és gyógyszerrezisztencia az űrben.

A fent leírt eredményeken túlmenően, amelyek arra utalnak, hogy a baktériumok általában jól boldogulnak a térben a csökkent késleltetési fázis, fokozott populációnövekedés és potenciálisan fokozott másodlagos metabolittermelés tekintetében, más kísérletek is azt sugallják, hogy az antibiotikumok mikroorganizmusokkal szembeni hatékonysága csökkenhet és a mikrobiális virulencia csökkenhet. növelhető (186, 250). Ezek a tényezők, kombinálva az űrhajósoknál feltehetően előforduló immunszuppresszió lehetőségével a különféle űrrepülési stresszhatások miatt, egyre nagyobb egészségügyi aggályokat vetnek fel, mivel az emberi űrmissziók időtartama meghosszabbodik, és ami még fontosabb, a Földtől való távolság meghosszabbodik (134).

(i) Mikrobiális gyógyszerrezisztencia.

Leys és mtsai. (146) arról számoltak be, hogy a különböző antibiotikumok lényegesen nagyobb koncentrációira volt szükség a gátláshoz in vitro baktériumok növekedése az űrben. Ezeknek a megfigyeléseknek a magyarázata azonban még mindig nem teljesen ismert. Ennek a megfigyelt eredménynek a kezelésére két, egymással kissé versengő hipotézist lehet feltenni. Vagy a bakteriális rezisztencia nő a térben, vagy csökken a gyógyszer általános hatékonysága és/vagy a felvételi sebessége. Mindkét forgatókönyv valószínű, hogy látható növekedést eredményezhet térben (vagy szimulált térkörnyezetben) olyan táptalajokon, amelyek 1 × alatt empirikusan meghatározott antibiotikum MIC-et tartalmaznak. g körülmények.

A közelmúltban végzett vizsgálatok a génexpressziós elemzés felé fordultak, hogy jellemezzék az antibiotikumokkal kiváltott sejtek válaszát az űrben és a klinosztát analóg létesítményekben (2). Az RpoS útvonal az egyik elsődleges szabályozó E. coli és Salmonella stresszreakciók. Wilson és mtsai. (266) összehasonlították a vad típusú és a rpoS mutáns törzsek. Mivel mindkét törzset hasonlóan érintette, arra a következtetésre jutottak, hogy a stresszválasz igen rpoS független szimulált mikrogravitáció alatt. A savas stresszel szembeni ellenállás, a termikus stressz és az ozmotikus stressz, valamint a makrofágokon belüli túlélési képesség szintén nőtt a szimulált térviszonyok között, míg az oxidatív stresszel szembeni ellenállás csökkent. Azt javasolták, hogy a stresszreakció-útvonal kompenzálónak tűnik azáltal, hogy lehetővé teszi a rpoS mutáns, hogy a vad típushoz hasonló válaszokat mutasson, amelyek nem figyelhetők meg a normál 1 ×-ben g körülmények. Bár a szimulált űrkörnyezet növekedése a jelentések szerint nem befolyásolta rpoS regulon gén expresszióját, számos más megváltozott génexpressziós mintát jeleztek.

Lynch és mtsai. (155) is arról számolt be E. coli a szimulált mikrogravitáció körülményei között növesztett sejtek ellenállóbbak voltak a hiperozmotikus és savas stresszel szemben mind az exponenciális, mind a stacioner növekedési fázisban, mint a hozzájuk illő 1 × g vezérlők. Mindkét sokktípus esetében a klinorotáció alatt növesztett sejtek túlélési aránya megközelítőleg 50% volt, szemben a normál gravitáció melletti életképesség szinte teljes elvesztésével. Az exponenciális növekedési szakaszban változások történtek rpoS független, ami arra a következtetésre vezetett, hogy a megnövekedett stresszválasz egy korábban fel nem fedezett általános stresszválasz-útvonal változásai miatt következett be. Állófázisban azonban a stresszreakció attól függ rpoS, mivel a vad típusú törzsek nagyobb rezisztenciát mutattak, mint rpoS mutánsok. A stacionárius fázisú sejtek, amelyeket klinorotáció alatt növesztettek, nagyobb ellenállással rendelkeztek, mint a normál gravitációs sejtek, ami szuperrezisztens sejtek kialakulásához vezetett. Transzkripciós és transzlációs jellemzői rpoS is megvizsgálták. Érdekes módon a clinorotált sejtekben a σ s fehérjekoncentrációja 30%-tel alacsonyabb volt az exponenciális fázisban és 100%-tel magasabb az állófázisban. Eközben az mRNS kópiaszáma hasonló volt a klinosztát és a normál gravitációs körülmények között minden növekedési fázisban. Az exponenciális fázisban az mRNS stabilitása nem változott, így a transzkripciós sebesség sem változott. Az mRNS stabilitása megnövekedett az állófázisban, kétszeres különbséggel a klinosztát minták és az 1 × között g kontrollok, így az állófázisban a transzkripció sebessége látszólag csökkent szimulált űrrepülési körülmények között. Arra a következtetésre jutottak, hogy a transzkripciós szabályozás nem magyarázza a szigmafehérje koncentrációbeli különbségeket. Továbbá azt találtuk, hogy a fehérje stabilitása a clinorotáció alatt csökkent az exponenciális növekedés során, enyhe csökkenés pedig az állófázisban is megmaradt. A fehérjekoncentráció-különbségek figyelembevétele érdekében a transzlációs sebesség és a hatékonyság növelését javasolták a klinosztátban a normál gravitációhoz képest. Ezek a megfigyelt különbségek betekintést nyújtanak a gravitációtól függő mögöttes mechanizmusok azonosításába, amelyek a környezeti stresszekre adott mikrobiális válaszokhoz kapcsolódnak.

Míg a sejtek megnövekedett gyógyszerrezisztenciáját általában feltételezik a mikrogravitáció miatt, legalább egy jelentés azt sugallta, hogy az űrrepülés környezeti feltételei is befolyásolhatják a gyógyszerek stabilitását (59), egy másik tanulmány pedig azt mutatta, hogy nem maradt egyértelmű maradék gyógyszerrezisztencia a baktériumokban. repülés után tesztelt tenyészetek (125). Ezek az eredmények, valamint a korábban leírt csökkent extracelluláris tömegtranszfer faktorok a mikrogravitációban, további kutatást tesznek szükségessé annak megállapítására, hogy az űrrepülés során az antibiotikummal általában minimális gátló körülmények között (MIC) szaporodó baktériumok megfigyelései fiziológiai vagy fizikai (azaz környezeti) hatásokkal járnak-e. ) alapján, vagy a kettő valamilyen kombinációjával.

Ii. Virulencia és patogenitás.

Amellett, hogy a baktériumok nehezebben kezelhetők antibiotikumokkal az űrben (vagy szimulált mikrogravitációs analógokkal), egyre több bizonyíték támasztja alá, hogy patogénebbé is válhatnak. Nickerson et al. (188) fokozott virulenciát mutatott S. enterica Typhimurium szerovariáns szimulált mikrogravitációs tenyésztést követően egerek szimulált mikrogravitációs körülmények között növesztett tenyészetekkel történő megfertőzésével, és összehasonlítása 1 × alatt termesztett tenyészetekkel fertőzött egerekkel g körülmények. A szimulált tértenyészetekről azt is megállapították, hogy ellenállóbbak a savas körülményekkel szemben, ami arra utal, hogy a gyomor-bél traktusban megnövekedett túlélés lehetséges. A bakteriális fehérje expressziója megváltozott a növekedés során, amint azt gélelektroforézissel határoztuk meg.

Egy másik hozzájáruló tényezőt javasolt Poudrier (203), aki arról számolt be, hogy a baktériumok jobban tapadnak az emberi sejtekhez szimulált mikrogravitáció esetén, mint normál 1 × g körülmények között. Továbbá azt találták, hogy a gén- és fehérjeexpresszió megváltozott, különösen a kísérleti csoportban, egy adhéziós fehérje és egy trimetoprim-szulfametoxazollal szembeni rezisztenciát közvetítő fehérje egyaránt felszabályozott.

Bár nem állapítottak meg végleges összefüggést azzal kapcsolatban, hogy az űrrepülés hogyan idézi elő ezeket a különböző megváltozott genetikai expressziós eredményeket, Nickerson et al. (187) azt javasolták, hogy egy globális szabályozó szignál befolyásolhatja a génexpressziót, a fiziológiai válaszokat és a patogenezist. Wilson és mtsai. (265) kimutatták, hogy az űrrepülések által kiváltott növekedés Salmonella A virulenciát a közepes ionösszetétel szabályozza, és hogy a foszfátionok elegendőek a kapcsolódó patogenezis válaszok megváltoztatásához egy űrrepülési analóg modellben. Bár továbbra is tisztázatlan, hogy a baktériumok pontosan hogyan érzékelik az űrrepüléssel összefüggő változásokat növekedési környezetükben, és ezek a változások hogyan alakulnak át a fertőzés szempontjából releváns megváltozott fenotípusokba, az evolúciósan konzervált szabályozási paradigmák azonosítása ezekben a tanulmányokban és más kapcsolódó jelenségek, amelyek leírják az űrre és a szimulált mikrogravitációra adott közös válaszokat. A környezetek, valamint a lehetséges mechanizmusok, amelyek globális hatást fejtenek ki a mikrobiális fajokra, együttesen olyan érdekes alapot biztosítanak, amelyet a folyamatban lévő kutatások továbbra is feltárnak.

A közelmúltban, 2008-ban az STS-123-on végzett űrsiklókísérlet, a Microbial Drug Resistance Virulence (MDRV) Study (http://www.nasa.gov/mission_pages/station/science/experiments/MDRV.html) négy független kutatócsoportot támogatott. (Niesel, McGinnis, Pyle és Nickerson) négy modellmikroorganizmus génexpressziójának és virulenciapotenciáljának jellemzésére irányuló erőfeszítések érdekében: Salmonella enterica Typhimurium szerovariáns, Streptococcus pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa, és Saccharomyces cerevisiae. Wilson és mtsai. (263) javasolta hfq globális szabályozó szerepe lehet az űrrepülésre adott válaszban a bakteriális génexpresszió és a virulencia megváltoztatásában. Az űrrepülés okozta változások S. enterica A Typhimurium szerovariáns virulenciáját tápanyagban gazdag tápközegben termesztett tenyészetekre jellemezték, és összehasonlították a tápanyag-korlátozott táptalajban történő növekedéssel, hogy megvizsgálják a változó táplálkozási állapotra adott fiziológiai és virulenciaválaszokat. A korábbi eredmények megismétlése mellett Wilson et al. (265) egy új hipotézist is tesztelt, miszerint az ionkoncentráció módosítása ellensúlyozhatja vagy gátolhatja a mikroorganizmusok űrrepüléssel kapcsolatos patogén válaszait. Specifikus virulenciafaktorok bakteriális génexpressziója a S. pneumoniae és P. aeruginosa hasonlóan jellemezték meghatározott kísérleti körülmények között a különböző kísérletek összehasonlításához. Ellenállás a S. cerevisiae a vorikonazol gombaellenes szert is megvizsgálták. A teljes eredmények függőben vannak.

Mikroorganizmusok az űrhajók környezetében.

Míg ez az áttekintés eddig elsősorban a különböző kategóriákra összpontosított in vitro A mikroorganizmusok űrkörnyezet különböző aspektusainak való kitételével végzett kutatások során fontos megjegyezni, hogy jelenlétük elkerülhetetlenül elkísér minden olyan küldetést, amelyben emberek is vannak a fedélzeten, ezért kritikus fontosságú a megváltozott növekedés és viselkedés figyelembevétele a nemkívánatos mikrobiális kimenetelek ellenőrzése felé. űrhajók környezetére és a személyzet egészségére gyakorolt ​​lehetséges hatásuk tekintetében. Ahogy azonban a Földön is igaz, a mikrobák nemcsak egészségügyi és szennyeződési aggodalomra adnak okot, hanem jótékony biológiai folyamatok biztosítására is szolgálhatnak. Valójában számos, az ember által elfoglalt űrhajóban szükséges életfenntartó funkciót el tudnak látni mikroorganizmusok (pl. hulladéklebontás, vízvisszanyerés, sőt élelmiszer- és oxigéntermelés is). Ezért a mikrobák által okozott potenciálisan káros személyzet egészségi és környezetszennyezési aggályai mellett a hosszú távú küldetések végső soron megkövetelik, hogy biológiai alapú rendszereket építsenek be az űrhajóba, hogy lehetővé tegyék a regeneratív, fenntartható életfenntartó funkciókat. Ez egyre valószínűbbé és szükségesebbé válik, ahogy az űrhajósok az önellátás felé haladnak, és csökken a függőség a Földről érkező fogyóanyag-utánpótlási küldetésektől.

(i) Mikroflóra összetétele és evolúciója.

Amint azt ellenőrzött kísérleti körülmények között megfigyelték, a mikrobiális viselkedést számos módon befolyásolja az űrrepülésnek való kitettség. Ugyanez igaz azokra a mikrobákra is, amelyek elkerülhetetlenül elkísérik a zárt űrhajó-környezetben élő embert, mind a legénység által hordozott mikroflóra-konzorciumokból, mind a levegőben és vízben, valamint a jármű belsejében lévő szabad felületeken előforduló mikrobiális szennyeződések miatt. A legénység egészségét érintő kérdéseken kívül a mikrobiális szennyeződések káros hatással lehetnek a repüléselektronikára és az űrhajórendszerekre is. A biofilm képződését az űrben ellenőrizték in vitro feltételeket (163), és ennek következtében az űrhajó-alkatrészekben bekövetkező anyagi károk lehetőségét is feljegyezték (189).

(ii) A személyzet egészsége.

A legénység egészségével kapcsolatos fő aggodalmat az opportunista kórokozók aktiválódása jellemzi, amelyekről megfigyelték, hogy felhalmozódnak a hosszú távú űrhajók zárt környezetében (119). A korábban leírtak szerint in vitro tanulmányok szerint a mikrobák az űrrepülés során tapasztalt környezeti feltételek hatására akár patogénebbé és az antibiotikum-kezeléssel szemben is ellenállóbbá válhatnak (134). Tovább bonyolítja a helyzetet, hogy úgy tűnik, hogy az űrrepülés negatívan befolyásolja az immunrendszert (227), bár az egymásnak ellentmondó jelentések azt mutatják, hogy nagy különbségek vannak az egyének és a küldetések között, ezért ezek a hatások még mindig nem teljesen ismertek, és jobb módszerekre van szükség teljes mértékben jellemzi az immunválasz dinamikáját repülés közben (19). A fertőző betegségek előfordulásának kockázata növekszik a hosszabb kiküldetési idővel.

Más tényezők, mint például a viszonylag zsúfolt körülmények között való élet és munka, valamint a visszanyert víz és levegő használata, hozzájárulnak ehhez a kockázathoz. A Holdon állandóan legénységgel ellátott előőrsökhöz vagy egy Mars-kutatási küldetéshez kapcsolódó egészségügyi aggályok még nagyobbak lehetnek, tekintettel az ezekkel a környezetekkel kapcsolatos további ismeretlen változókra. Végül a diagnosztikai és kezelési technológiák korlátai tovább növelik a veszélyeztetett immunitás következményeit, és mivel a küldetések a Földtől távolabbra nyúlnak, a személyzet vészhelyzet esetén történő visszatérése már nem megvalósítható (113, 199).

Jobb adatgyűjtés in vivo repülés közben a kívánt mért eredmény befolyásolása nélkül szükséges az immunválasz folyamatának teljes megértéséhez. Ehhez szükség van a mérendő megfelelő biomarker(ek) azonosítására és egy olyan eszközre, amely képes az elemzést a jármű fedélzetén elvégezni. A jelölt markerek, például a citokinek, katekolaminok és más hormonok betekintést nyújthatnak az immunrendszer működésébe, azonban úgy tűnik, hogy egyetlen markerkészlet sem nyújt elegendő információt az immunrendszer általános válaszának jellemzésére, és nem létezik egyetlen términősítésű bioszenzor sem, amely több elemző képességgel rendelkezik volna teljes mértékben jellemezze az összes lehetőséget (3). Alternatív, RNS-alapú monitorozási megközelítést javasoltak Larios-Sanz és munkatársai. (144). A 16S rRNS-re célzott molekuláris jeladókat használva kimutatták, hogy a specifikus baktériumcsoportok kimutathatók egy olyan módszerrel, amely alkalmas a repülés közbeni megfigyelésre.

Végül, elfogadva, hogy a fertőzés egy hosszú távú küldetés egy bizonyos pontján bekövetkezik, függetlenül a megtett kockázatcsökkentő intézkedésektől, mérlegelni kell a hatékony kezelési terápiát is. Taylor és Sommer (247) bemutatja az antibiotikum-rezisztens kórokozók megjelenésének visszaszorítására szolgáló gyógyszerészeti szereket, hogy meghatározzák a fedélzeti gyógyszertári igényeket és az űrrepülésre alkalmazható kezelési protokollokat. Az ehhez hasonló betekintés elengedhetetlen eleme egy integrált legénység-egészségügyi rendszer kifejlesztésének olyan feltáró küldetésekhez, amelyek túllépnek az alacsony földi pályán.

(iii) Az űrhajó környezete.

Számos tanulmányt végeztek az űrhajó mikrobiális szennyeződésének jellemzésére, monitorozására és szabályozására, hogy egyensúlyt érjenek el a káros, elhanyagolható és a kívánt hatások között (37, 141, 189, 199). A környezeti mikrobiológiai paraméterek kiterjedt adatbázisát katalogizálták több mint 100 űrsikló-küldetés rövid távú repüléseihez. Hasonlóképpen a közös NASA-MIR A program az 1990-es évek végén adatokat szolgáltatott a hosszú távú küldetésekről. Érdekes módon az űrsiklóban talált főbb baktérium- és gombafajok hasonlóak azokhoz, amelyekkel 15 évnyi működés után találkoztak. MIR űrállomás (199). Szintén érdekes a mikrobiális terhelés MIR nem lineárisan fejlődött, hanem a mikroflóra aktiválási és stabilizációs fázisai közötti váltakozási folyamat révén (189).

Az ISS középpontjában a megelőző intézkedések bevezetése állt a rendszeres háztartási gyakorlatok révén, beleértve a szemrevételezést és a mikrobiológiai megfigyelést. Novikova et al. (190) felmérést nyújtottak be az ivóvízben és levegőben, valamint az ISS-en belüli felületeken talált mikrobiológiai szennyeződésekről, beleértve a szerkezeti anyagok biológiai lebontásában szerepet játszó opportunista kórokozók és törzsek jelenlétét.

Egy környezeti szempontból zárt, elszigetelt rendszerben, mint például a hosszú távú űrállomások, űrhajók vagy bolygók élőhelyei, foglalkozni kell azzal a lehetőséggel is, hogy biofilmek képződjenek minden típusú anyagon. Összevonva a tábornokot in vitro Az antibiotikum-rezisztencia térre vonatkozó jelentések szerint növekszik, a biofilm kialakulása önmagában is ismert, hogy 10-1000-szeresére növeli az antibiotikumokkal szembeni rezisztenciát, mint a planktonbaktériumoké (156). Érdekes módon a biofilmrezisztenciával kapcsolatos feltételezett mechanizmusok némelyike, mint például a közösségben a tápanyagok és hulladékok gradienseiből adódó heterogén környezet, hasonló azokhoz, amelyekről úgy gondolják, hogy az űrrepüléssel kapcsolatos változásokat okoznak az antibiotikumok hatékonyságában. Morse és Jackson (177) leírták, hogy ennek eredményeként rezisztens törzsek fejlődhetnek ki egy űrhajó vízvisszanyerő rendszerében.

A legénység egészségügyi problémáinak felderítéséhez hasonlóan mikrobiális monitorozásra is szükség van az űrhajóban élő dinamikus mikroflóra meghatározásához. La Duc et al. (141) számos biomarkert céloztak meg, mint például az ATP-t, az LPS-t és a DNS-t (riboszomális vagy spóraspecifikus), hogy számszerűsítsék a teljes bioterhelést és a mikrobiális szennyeződés bizonyos típusait az űrhajó belsejében és az ISS fedélzetén lévő ivóvíztárolókban. Bacilus a fajok dominánsnak bizonyultak a spóraképzők között kultúrfüggő technikák alkalmazásával. Ezzel szemben a tenyészettől független, gyors számlálási technikák számos Gram-pozitív és Gram-negatív mikroorganizmus jelenlétét tárták fel, beleértve az aktinomicétákat és gombákat. Mind a tenyészthető, mind a nem tenyészthető mikrobák jelenlétét DNS-alapú kimutatási technikákkal tovább erősítették. Bár az ISS ivóvízről nem találtak tenyészthető mikrobákat, a molekuláris technikák számos opportunista kórokozó DNS-szekvenciáját kinyerték.

Roman et al. (224) hasonló módon vizsgált egy hajlékony tömlőszerelvényt, amelyet szkafanderek hűtésére használnak, és amely nem iható vizes hűtőfolyadékot és jódozott vizet tartalmaz az ISS-ről. Azt találták, hogy a folyadékok kémiája és a pH változása a plankton mikroorganizmusok számának növekedését kísérte 100 ml-enként 100 CFU-ról körülbelül 1 millió CFU-ra 100 ml-re. Stabil mikrobiális populációt figyeltek meg a rendszerben lévő nedves anyagokon, köztük a rozsdamentes acélon, titánon, etilén-propilén gumin és epoxigyantákon képződő biofilmek előfutáraként. Bár itt nem található meg, a biofilm képződés ebben az összefüggésben akadályozná a hűtőfolyadék áramlását, csökkentené a hőátadást, felerősítené a rendszer anyagainak kémiai korrózió által kiváltott lebomlását, és fokozná az ásványi lerakódások képződését. A megelőző ellátás magában foglalhatja az antimikrobiális szerek alkalmazását az ilyen folyadékszállító rendszerekben.

A felhalmozott adatok bizonyítékot szolgáltatnak arra vonatkozóan, hogy az űrhajóban a mikrobiális szintek ellenőrzése szükséges a kívánt egészségügyi, mikrobiológiai optimum fenntartásához, hogy megakadályozzuk az anyagi biológiai pusztulás lehetőségét (189). Ott et al. (195) továbbá leírta a folyékony kondenzátumban élő baktériumok, gombák és más organizmusok jelenlétét, amelyeket a műszerfalak mögött rekedtek a fedélzeten. MIR űrállomás. Ezek a szabadon lebegő tömegek veszélyt jelentenek a személyzetre és az űrhajókra egyaránt. Baker és Leff (7, 8) egy teljes elemzési körben vizsgálták a szimulált mikrogravitáció hatását a baktériumtenyészetekre. MIR és az ISS a Földre való visszatérés után. Különböző növekedési válaszokat összegeztünk, és az eredményeket úgy értelmeztük, hogy az azt jelzi, hogy a mikrogravitációs, oligotróf környezetben történő szelekció olyan baktériumokhoz vezet, amelyek jobban megfelelnek a mikrogravitációs/ISS környezeti feltételeknek. Ha ezt a következtetést érvényesnek találják, további bonyodalmak merülnek fel az űrrepülés (vagy űrhajó) környezet által a mikroorganizmusokra gyakorolt ​​evolúciós nyomás megértésének szükségességével kapcsolatban.

(iv) Biológiai alapú életfenntartó rendszerek.

Utolsó megjegyzést teszünk a mikroorganizmusok és más biológiai rendszerek jótékony felhasználásával kapcsolatban, amelyek regenerálható életfenntartó funkciókat biztosítanak a hosszú távú űrben való tartózkodáshoz. Ahogy a küldetések hosszabb időtartamra és nagyobb távolságokra haladnak, a Föld természetes bioszféráját utánzó bioregeneratív folyamatok egyre nagyobb tömeg- és költségmegtakarítási lehetőséget kínálnak az időszakos fogyóanyag-utánpótlás szükségességéhez képest. Míg a növények lehetővé teszik az oxigén visszanyerését a szén-dioxidból, a víz párologtatással történő tisztítását és az ehető biomassza biztosítását, a baktériumok, gombák és cianobaktériumok számos folyamat végrehajtására is alkalmasak, beleértve a vitamintermelést, a víz újrahasznosítását, a levegő fertőtlenítését, és hulladékgazdálkodás (91, 175, 222). Számos kihívást jelent a biológiai ágensek stabil keverékének létrehozása, amely képes fenntartható, ellenőrzött életfenntartó funkciókat biztosítani egy zárt rendszerben (184). A Hold előőrsének operatív tesztágyként való használata az egyik lehetőség egy jövőbeni Mars-élőhelyre szánt biológiai alapú életfenntartó rendszer beillesztésének és teljesítményének ellenőrzésére. Jelentős munka vár még egy ilyen rendszer megvalósítására, és a mikroorganizmusok minden bizonnyal szerepet fognak játszani a végső tervezésben.

Kilátások és jövőbeli irányok

A naprendszer-kutatásra vonatkozó nemzetközi tervek megfogalmazása során akár robotszondák, akár emberi személyzet segítségével a mikrobiológusok izgalmas új lehetőségekkel és kihívásokkal teli követelményekkel szembesülnek. Ezeknek a vállalkozásoknak az egyik legkiemelkedőbb célja a Naprendszerünk egy másik bolygóján vagy holdján lévő életformák felkutatása. A szomszédos Mars bolygó és a Jupiter-hold, az Europa kulcsfontosságú célpontok a Földön túli élet keresésében. Analógia útján a szárazföldi extremofil mikrobiális közösségekkel, például a száraz, hideg, sós környezetben virágzókkal és/vagy azokkal, amelyek intenzív UV-sugárzásnak vannak kitéve, további potenciális földönkívüli élőhelyek azonosíthatók. Emellett a kénben gazdag felszín alatti területek a kemoautotróf közösségek, az endolit közösségek kőzetei, a permafrost régiók, a hidrotermális szellőzőnyílások és a talaj- vagy evaporitkéregek tanulmányozására alkalmasak. Az ezekben a szélsőséges környezetben élő mikrobiális közösségekkel végzett terepvizsgálatok, valamint a szimulált bolygókörnyezetben végzett mikrobiológiai vizsgálatok az űrben és a laboratóriumban értékes információkkal szolgálnak majd a megfelelő "életkereső" kísérletek előkészítéséhez. naprendszer testei.

A mikrobiológusok másik fontos szerepe az űrkutatásban a bolygóvédelmi kezdeményezésre vonatkozik. Az űrhajók, legyenek azok robotok, belépőszondák vagy leszállók, akaratlanul is földi mikroorganizmusokat juttathatnak be az aggodalomra okot adó bolygóra vagy holdra. Ez megsemmisítheti a lehetőséget, hogy ezeket a testeket érintetlen állapotukban megvizsgálják. A földi mikroorganizmusok nemkívánatos bejutásának és lehetséges elszaporodásának megakadályozása érdekében a céltestre bevezették a bolygóvédelem fogalmát (COSPAR Planetary Protection Guidelines [http://cosparhq.cnes.fr/Scistr/PPPolicy�-July-08&#). x0002529.pdf]). A céltól és a küldetés típusától függően a bolygóvédelmi irányelvek megkövetelik az űrhajó vagy a komponensek tisztítását és adott esetben sterilizálását a szárazföldi élőlényekkel való szennyeződés elkerülése érdekében. A tisztítási és/vagy sterilizálási intézkedések sikerét a biológiai terhelés alapos nyilvántartásával kell ellenőrizni az indulás előtt. A biológiai terhelés mérésére, a sterilizálási eljárásokra és a bolygóvédelmi ellenőrzésre vonatkozó irányelvek kidolgozása további kiemelt feladatokat jelent a mikrobiológusok számára.

Az emberek jelenléte a Hold vagy a Mars felszínén jelentősen megnöveli az űrkutatási és űrkutatási lehetőségeket, azonban minden emberi felderítő küldetés előtt foglalkozni kell az emberi egészséggel és jóléttel kapcsolatos kritikus mikrobiális problémákkal, és hatékony bolygókutatást kell végezni. védelmi protokollokat kell létrehozni. A metabolikus fogyóeszközök biztosítása és a hulladék melléktermékek eltávolítása a zárt, zárt környezetből, legyen az emberi élőhely vagy sejtkultúra bioreaktor, az életfenntartás végső szükséglete. A zárt kabin vagy élőhely körülményei további hosszú távú kihívásokat jelentenek a tervezésben a személyzet egészsége szempontjából, mivel a légkörben és a vízrendszerekben szennyeződések, valamint a belső szerkezetek felületén biofilmek halmozódhatnak fel. Végül, bizonyos esetekben maguk az életfenntartó funkciók is teljesíthetők különféle ökológiai utakon keresztül működő élő rendszerek használatával. Ebben az értelemben az élő rendszerek egyre inkább az űrhajónak vagy magának az élőhelynek a szerves részévé válnak, ezért az űrmikrobiológiai kísérletek elemzését széles, rendszerszintű szemszögből kell elvégezni, figyelembe véve a biológiai jelenségek és a fizikai hatások kölcsönhatását. összefüggésbe hozható az általános környezettel az űr élőhelyén belül és kívül egyaránt.


Enzim-immobilizálási módszerek és alkalmazások (biotechnológiai előadásjegyzetek)

Az immobilizáció a sejt vagy enzim bezárása egy különálló hordozóba vagy mátrixba. A hordozó vagy mátrix, amelyen az enzimek immobilizálva vannak, lehetővé teszi a szubsztrátot vagy effektor- vagy inhibitormolekulákat tartalmazó közeg cseréjét. A sejtek immobilizálásának gyakorlata nagyon régi, és az első immobilizált enzim az volt amino-aciláz nak,-nek Aspergillus oryzae L-aminosavak előállítására Japánban.

Az immobilizált enzimek előnyei:

(1). Az enzim fokozott funkcionális hatékonysága
(2). Az általuk vállalt folyamat fokozott reprodukálhatósága
(3). Az enzim újrafelhasználása
(4). Az enzimek folyamatos használata
(5). Kevesebb munkaráfordítás a folyamatokban
(6). Tőkeköltség és a folyamat befektetésének megtakarítása
(7). Minimális reakcióidő
(8). Kisebb a szennyeződés esélye a termékekben
(9). A termékek nagyobb stabilitása
(10). Stabil termékkínálat a piacon
(11). Továbbfejlesztett folyamatvezérlés
(12). Magas enzimszubsztrát arány

Az enzimimmobilizálás hátrányai:

(1). Annak ellenére, hogy az immobilizált enzimeknek számos előnye van, vannak hátrányai is.
(2). Az aktív enzim izolálásának, tisztításának és kinyerésének magas költsége (legfontosabb hátrány)
(3). Az ipari alkalmazások korlátozottak, és csak nagyon kevés iparág használ immobilizált enzimeket vagy immobilizált teljes sejteket. (4). Egyes enzimek katalitikus tulajdonságai csökkennek vagy teljesen elvesznek a hordozón vagy hordozón történő rögzítés után.
(5). Egyes enzimek immobilizálás után instabillá válnak.
(6). Az enzimeket a rendszerben keletkező hő inaktiválja

Az enzimimmobilizálás alkalmazásai:

(1). Ipari termelés: Az antibiotikumok, italok, aminosavak stb. ipari gyártása immobilizált enzimeket vagy teljes sejteket használ.

(2). Orvosbiológiai alkalmazások: Az immobilizált enzimeket széles körben alkalmazzák számos betegség diagnosztizálásában és kezelésében. Az immobilizált enzimek a veleszületett anyagcserezavarok leküzdésére használhatók immobilizált enzimek ellátásával. Az immobilizációs technikákat hatékonyan alkalmazzák a gyógyszerszállító rendszerekben, különösen az onkogén helyekre.
(3). Élelmiszeripar: A megfelelő hordozóra rögzített enzimeket, például pektinázokat és cellulázokat sikeresen alkalmazzák gyümölcsökből és zöldségekből lekvárok, zselék és szirupok előállításánál.
(4). Kutatás: A kutatási tevékenység széles körben alkalmaz számos enzimet. Az immobilizált enzimek használata lehetővé teszi a kutatók számára, hogy növeljék a különböző enzimek, például a torma peroxidáz (HRP) hatékonyságát a blotting kísérletekben és a különböző proteázok sejt- vagy organellum lízisben.

(5). Biodízel gyártása növényi olajokból.

(6). Szennyvízkezelés: szennyvíz és ipari szennyvíz tisztítása.

(7). Textilipar: szövetek súrolása, biopolírozása és simítása.

(8). Mosószeripar: lipáz enzim immobilizálása a rongyok hatékony eltávolításához.

Az immobilizálási technológiában használt támasztékok vagy mátrixok:

A mátrix vagy hordozó immobilizálja az enzimet azáltal, hogy tartósan vagy átmenetileg egy rövid ideig megtartja. Az immobilizáláshoz sokféle mátrix vagy hordozó vagy támasz áll rendelkezésre. Az alkalmazott mátrixnak olcsónak és könnyen hozzáférhetőnek kell lennie. A táptalaj komponenseivel vagy az enzimmel való reakciójuknak a lehető legkisebbnek kell lennie. Az enzimek vagy teljes sejtek immobilizálására szolgáló mátrixok vagy hordozók három fő kategóriába sorolhatók

(1). Természetes polimerek

(2). Szintetikus polimerek

(3). Szervetlen anyagok

(1). Természetes polimerek:

(a). Alginát: Egyes algák sejtfalából származó természetes polimer. A kalcium- vagy magnézium-alginát a leggyakrabban használt mátrix. Inertek és jó víztartó képességgel rendelkeznek.

(b). Kitozán és kitin: Ezek strukturális poliszacharidok, amelyek természetesen előfordulnak a gombák sejtfalában és az ízeltlábúak külső vázában. Az enzimek különböző funkciós csoportjai kapcsolódhatnak a kitin – OH csoportjához, és kovalens kötéseket képezhetnek.

(c). Kollagén: Jó porozitással és víztartó képességgel rendelkező fehérje hordozó. A kollagén és az enzim aminosavainak oldalláncai kovalens kötéseket képezhetnek, hogy az enzimet tartósan a hordozón tartsák.

(d). Karragén: Ez egy szulfatált poliszacharid, amelyet néhány vörös algából nyernek. Jó zselésítő tulajdonságaik magas fehérjemegtartó képességükkel együtt jó támogatást nyújtanak az enzimek immobilizálásához.

(e). Zselatin: A zselatin egy részben hidrolizált kollagén, jó vízmegtartó képességgel.

(f). Cellulóz: A természetben a legnagyobb mennyiségben előforduló polimer, és ez a legolcsóbb enzimhordozó hordozó. A monomer egységek hidroxilcsoportja (glükóz) kovalens kötést tud kialakítani az enzim aminosavaival.

(g). Keményítő: Amilóz és amilopektin természetes polimerje. Jó víztartó képességgel rendelkezik.

(h). Pektin: Ez a növények strukturális poliszacharidja, amely az elsődleges sejtfalukban található, és a növényi szövetekben intercelluláris cementáló anyagként is funkcionál. A pektin jó víztartó képességű zselésítőszer.

(2). Szintetikus polimerek:

Ezek ioncserélő gyanták vagy polimerek, és porózus felületű oldhatatlan hordozók. Porózus felületük befoghatja és megtarthatja az enzimeket vagy egész sejteket. Példa: Dietilamino-etil-cellulóz (DEAE cellulóz), polivinil-klorid (PVC), UV-aktivált polietilénglikol (PEG)

(3). Szervetlen anyagok:

(a). Zeolitok: Mikroporózus, alumínium-szilikát ásványok, jó adszorbeáló tulajdonságokkal, és széles körben használják enzimek és teljes sejtek rögzítésére.

(b). Kerámia: Ezek nem fémes szilárd anyagok, amelyek ionos és kovalens kötésekben lévő fémből és nemfém atomokból állnak. Az összetétel és a kötési minta típusonként változik.

(c). kovaföld: Szilíciumtartalmú üledékes kőzetek, amelyeket a kovamoszat sejtfalának megkövesedett felhalmozódása képez. A celit a kovaföld kereskedelmi neve. Jó adszorbens, ellenáll a magas pH-értéknek és hőmérsékletnek.

(f). Aktív szén

(g). Faszén

Az immobilizálás módszerei:

A hordozó vagy mátrix és az érintett kötések típusa alapján öt különböző módszer létezik az enzimek vagy a teljes sejtek immobilizálására.

(1). Adszorpció

(2). Kovalens kötés

(3). Befogás

(4). Kopolimerizáció

(5). Egységbezárás

(1). Adszorpció

Az adszorpció az enzimimmobilizálás legrégebbi és legegyszerűbb módja. Nelson & Griffin 1916-ban először használt szenet az invertáz adszorbeálására. Ebben a módszerben az enzim a hordozó külső felületére adszorbeálódik. A használt tartó vagy hordozó különböző típusú lehet, például:

(1). Ásványi tápanyagt (pl. alumínium-oxid, agyag)

(2). Organikus támogatás (Pl. keményítő)

(3). Módosított sepharose és ioncserélő gyanták

Az adszorpciós módszerben nincs állandó kötés kialakulása a hordozó és az enzim között. Csak a gyenge kötések stabilizálják az enzimeket a hordozóhoz vagy a hordozóhoz. A gyenge kötések (alacsony energiájú kötések) főként a következők:

(a). Ionos kölcsönhatás

(b). Hidrogénkötések

(c). Van der Waal erők

A jelentős felületi kötés érdekében a hordozó szemcseméretének kicsinek kell lennie (500 Å-1 mm átmérőjű). Az adszorpciós módszer legnagyobb előnye, hogy nem lesznek „pórusdiffúziós korlátok”, mivel az enzimek kívülről rögzítve vannak a hordozón vagy a hordozón.

Adszorpciós módszerek:

(1). Statikus folyamat: Immobilizálás a hordozóhoz oly módon, hogy az enzimet tartalmazó oldatot keverés nélkül érintkeztetjük a hordozóval.
(2). Dinamikus kötegelt folyamat: A hordozót az enzimoldatba helyezzük, és keveréssel vagy rázatással összekeverjük.
(3). A reaktor betöltési folyamata: A vivőanyagot a reaktorba helyezik, majd az enzimoldatot folyamatos keverés mellett a reaktorba juttatják.
(4). Az elektróda helyzetének folyamata: A hordozót egy enzimfürdőben egy elektróda közelébe helyezik, majd rávezetik az áramot, az elektromos tér hatására az enzim a hordozóhoz vándorol és lerakódik annak felületére.

Az adszorpciós módszer előnyei:

(a). Nincs pórus diffúziós korlátozás

(c). Nincs szükség reagensekre

(d). Minimális aktiválási lépések

(e). Viszonylag olcsó immobilizálási módszer

(f). Kevésbé zavarja az enzimeket, mint a kémiai módszerek

Az adszorpciós módszer hátrányai:

(a). Az enzimek deszorpciója a hordozóból

(2). Kovalens kötés:

Ez a módszer kovalens kötések kialakítását foglalja magában az enzim kémiai csoportjai és a hordozón vagy hordozón lévő kémiai csoportok között. Ez az egyik legszélesebb körben alkalmazott enzimimmobilizációs módszer. A hordozó vagy enzim hidroxilcsoportjai és aminocsoportjai könnyebben alkotnak kovalens kötést. A hordozóban vagy a hordozóban lévő kémiai csoportok, amelyek kovalens kötést létesíthetnek a hordozóval, az aminocsoportok, iminocsoportok, hidroxilcsoportok, karboxilcsoportok, tiolcsoportok, metil-tiolcsoportok, guanidilcsoportok, imidazolcsoportok és fenolgyűrű.

Az enzim fontos funkciós csoportjai, amelyek kémiai csoportokat biztosítanak kovalens kötések kialakításához hordozóval vagy hordozóval:

1. Alfa-karboxilcsoport az enzim „C” terminálisán

2. Alfa-aminocsoport az enzim „N”-terminálisán

3. Lizin és arginin epszilon aminocsoportjai az enzimben

4. Az aszpartát és glutamát β és γ karboxilcsoportjai

5. A tirozin fenolgyűrűje

6. A cisztein tiolcsoportja

7. A szerin és a treonin hidroxilcsoportjai

8. A hisztidin imidazolcsoportja

9. Triptofán indolgyűrűje

A kovalens kötésekhez általában használt hordozók vagy hordozók a következők:

(a). Szénhidrátok: Például. Cellulóz, DEAE cellulóz, agaróz

(b). Szintetikus szerek: Például. Poliakrilamid

(c). Fehérje hordozók: Kollagén, zselatin

(d). Aminocsoportot hordozó hordozók: Például. amino-benzil-cellulóz

(e). Szervetlen hordozók: Porózus üveg, szilícium-dioxid

(f). Cián-bromid (CNBr)-agaróz és CNBr Sepharose

A kovalens kötés módszerei

(1). Diazoatio: Kapcsolódás a hordozó aminocsoportja és az enzim tirozil vagy hisztidil csoportja között.
(2). Peptid kötés: Kapcsolódás a hordozó és az enzim amino- vagy karboxilcsoportjai között.
(3). Többfunkciós reagensek: Bi- vagy többfunkciós reagens (glutáraldehid) alkalmazása, amely kovalens kötéseket hoz létre a hordozó aminocsoportja és az enzim aminocsoportja között.

A kovalens kötés előnyei:

(a). Az enzim erős kötődése a hordozóhoz

(b). Nincs szivárgás vagy deszorpció probléma

(c). Viszonylag egyszerű módszer

(d). Különféle támogatás áll rendelkezésre különböző funkcionális csoportokkal

(e). Széleskörű alkalmazhatóság

A kovalens kötés hátrányai (a kovalens kötéssel kapcsolatos fő probléma):

(a). Az enzim kémiai módosítása, amely az enzim funkcionális konformációjának elvesztéséhez vezet.

(b). Az enzimek inaktiválása a konformáció megváltozása által, amikor az aktív helyen reakciókon megy keresztül. Ez leküzdhető immobilizálással, enzimszubsztrát vagy kompetitív inhibitor jelenlétében.

(3). Befogás:

Ebben a módszerben az enzimek fizikailag bezáródnak egy porózus mátrixba. Az enzim mátrixhoz való stabilizálásában szerepet játszó kötések lehetnek kovalensek vagy nem kovalensek. Az alkalmazott mátrix vízoldható polimer lesz. A mátrix formája és természete a különböző enzimektől függően változik. A mátrix pórusméretét úgy állítják be, hogy megakadályozzák az enzimvesztést. A mátrix pórusmérete beállítható a felhasznált polimer koncentrációjával. Az agar-agar és a karragén viszonylag nagy pórusmérettel rendelkezik. Ennek a módszernek a legnagyobb hátránya, hogy kis molekulatömegű enzimek szivároghatnak ki a mátrixból.

Példák a befogáshoz általánosan használt mátrixokra:

(1). Poliakrilamid gélek

(2). Cellulóz-triacetát

(5). Karragén

(6). Alginát

A bezárás módjai:

(a). Hozzáadás a gélekhez: a gélek belsejében rekedt enzimek.

(b). Felvétel a szálakba: mátrixanyagból készült szálakon megtámasztott enzimek.

(c). Mikrokapszulákba való beillesztés: Monomerkeverékekből, például poliaminból és kalcium-alginátból kialakított mikrokapszulákba zárt enzimek.

A bezárás előnyei:

(a). Gyors immobilizációs módszer

(b). Olcsó (alacsony költségű mátrixok elérhetők)

(c). Könnyen gyakorolható kis léptékben

d). Enyhe körülmények szükségesek

(e). Kisebb esély az enzim konformációs változásaira

(f). Érzékelő alkalmazásra használható

A bezárás hátrányai:

(a). Az enzim szivárgása

b). Pórus diffúzió korlátozása

(c). A mikrobiális szennyeződés lehetősége

(d). Nem sok sikert aratott az ipari folyamat

(4). Térhálósítás (kopolimerizáció):

Ezt a módszert kopolimerizációnak is nevezik. Ebben az immobilizálási módszerben az enzimek közvetlenül kapcsolódnak kovalens kötésekkel az enzimek különböző csoportjai között polifunkciós reagenseken keresztül. Más módszerekkel ellentétben ez a módszer nem tartalmaz mátrixot vagy támogatást. Az általánosan használt többfunkciós reagensek a glutáraldehid és a diazóniumsó. Ez a technika olcsó és egyszerű, de nem gyakran használják tiszta enzimekkel. Ezt a módszert széles körben alkalmazzák kereskedelmi készítményekben és ipari alkalmazásokban. Ennek a módszernek a legnagyobb hátránya vagy hátránya, hogy az enzim térhálósításához használt többfunkciós reagensek denaturálhatják vagy szerkezetileg módosíthatják az enzimet, ami a katalitikus tulajdonságok elvesztéséhez vezet.

(5). Egységbezárás:

Ez a fajta rögzítés úgy történik, hogy az enzimeket egy membránkapszulába zárják. A kapszula félig áteresztő membránból, például nitro-cellulózból vagy nejlonból készül. Ennél a módszernél a hatékonyság a kapszulában lévő enzimek stabilitásától függ.

A kapszulázás előnyei:

(a). Olcsó és egyszerű módszer

(b). Kapszulázással nagy mennyiségű enzim rögzíthető

A kapszulázás hátrányai:

(a). Pórusméret korlátozás

(c). Csak kis szubsztrát molekula képes átjutni a membránon

Egész sejtek immobilizálása:

A teljes sejtek immobilizálása az enzimimmobilizálás alternatívája, és egy jól kidolgozott módszer a mikrobákból származó enzimek hasznosítására. A teljes sejtek immobilizálása különösen akkor válik hatásossá, ha az egyes enzimek a közvetlen immobilizálás során inaktívvá válnak, vagy az enzim izolálása és tisztítása nem költséghatékony. A teljes sejt immobilizálásának legnagyobb előnye, hogy itt az enzimek hosszú ideig aktívak és stabilak, mivel természetes környezetükben vannak. Az immobilizált sejtek fermentációra való felhasználása nagyon régi gyakorlat. A baktériumokat vagy élesztősejteket faforgácson adszorbeálva immobilizálják. Ezt sok helyen gyakorolják a különböző típusú fermentációkhoz.

A teljes sejt immobilizálásának előnyei:

(a). Egy lépésben több enzim is bevihető

(b). Az enzimek extrahálása és tisztítása nem szükséges

(c). Az enzimek hosszú ideig stabilak

(d). Az enzim natív konformációja a legjobban megmarad

(e). A sejtszervecskék, például a mitokondriumok és a kloroplasztiszok immobilizálhatók

(f). Költséghatékony módszer

A teljes sejt immobilizálásának hátrányai:

(a). Az enzimek koncentrációja kisebb lesz

(b). Nem kívánt enzimek és nem kívánt termékek előállítása

(c). A végtermékek módosítása immobilizált sejtek által termelt egyéb enzimekkel

A teljes sejtek immobilizálásának módszerei:

A teljes sejtek immobilizálásának módszerei megegyeznek az enzimimmobilizálásnál leírtakkal, és a következőket tartalmazzák:

1. Adszorpció

2. Kovalens kötés

3. Sejt-sejt keresztkötés

4. Kapszulázás

5. Beszorulás

A sejtek immobilizálása: módszerek, hordozóanyagok, sejtek és reakciók:

Offline tanulás (internet nélkül)

Most már tudod Letöltés az PDF ennek a bejegyzésnek Teljesen ingyenes!

Kérjük kattintson a Letöltési link / Gomb alább, hogy mentse a bejegyzést egyetlen PDF-fájlként. A PDF-fájl új ablakban nyílik meg magában a böngészőben. Kattintson a jobb gombbal a PDF-re, és válassza a ‘ lehetőségetMentés másként‘ lehetőséget a fájl számítógépre mentéséhez.

Kérem Ossza meg a PDF-et barátaival, rokonaival, diákjaival és kollégáival…


A mikrobiológia egy dinamikus terület, amely gyorsan fejlődött mind az alapvető ismeretek, mind pedig az orvostudomány, a mezőgazdaság és az ipar területén történő alkalmazása tekintetében. A vívmányok kiaknázására létrehozott biotechnológiai cégek tucatjai biztosítanak munkát a hallgatóknak megfelelő alapképzésben. A géntechnológiának szentelt új iparágak kiváló karrierlehetőségeket kínálnak a mikrobiológusoknak. A mikrobiológusok iránt a klinikai mikrobiológiában is nagy az igény.

Az egészségtudományok és a kapcsolódó szakmák iránt érdeklődő hallgatók igénybe vehetik az Egyetem Cheadle Hallban található kiváló egészségtudományi tanácsadó rendszerét. Tanácsot és támogatást kérhetnek biológia tanulmányaik kezdetétől az egészségtudományi posztgraduális programokba és szakmai iskolákba való belépésükig.

A biológiai tudományok oktatása és az egyetemi kutatások iránt érdeklődő hallgatóknak meg kell tervezniük a Ph.D. fokozat. A közösségi főiskola tanítása iránt érdeklődő hallgatóknak legalább a mesterképzésen keresztül diplomás munkát kell végezniük. A középiskolai vagy középiskolai (középiskolai) szintű tanításhoz kaliforniai egyetlen tantárgy tanári képesítés szükséges. Az utóbbi lehetőséget fontolóra vevő hallgatóknak tanulmányi pályafutásuk elején meg kell vitatniuk terveiket az UCSB Graduate School of Education okleveles tanácsadójával.


A KORONAVÍRUS FEHÉRJÉNEK SZEREPE A PATHogenezISBEN

Spike Protein

A tüske felépítése.

A koronavírus tüskeprotein egy I. típusú glikoprotein, amely peplomereket képez a koronavírus részecskéin. (A ​ ábra (a 4. ábra a 4. ábra számos koronavírus-tüskeprotein lineáris diagramját mutatja.) Egyes koronavírus-tüskék (legtöbbször a II. és III. csoportba tartozó vírusokból) furinszerű enzimaktivitás hatására két alegységre hasadnak a Golgi-ban történő feldolgozás során. A prototípus Az MHV tüske a legtöbb MHV törzsnél 180 kDa, két, nem kovalensen kapcsolódó, körülbelül 90 kDa-os (294) alegységre hasad. domén (RBD) az első 330 aminosavon belül (163). A HCoV-229E (417. és 547. oldallánc) és a SARS-CoV (318-510. oldalláncok) RBD-i szintén megtalálhatók az S1-ben, bár nem az aminoterminálisokon ( ​ (4. ábra) 4 ) (17, 339). Az MHV S1-je az RBD-től lefelé egy “hypervariábilis domént” (HVR) tartalmaz, amelynek hossza a törzsek között változó. Különféle szekvenciák összehasonlítása a JHM törzsek izolátuma, valamint az A59 törzs egy izolátuma “in-frame� Legfeljebb 450 nukleotid 201d deléciója (a JHM MHV-4 izolátumához képest) a HVR-ben (236). A karboxi-terminális S2 alegység, amely az összes koronavírus-tüskék között konzervált, és a feltételezések szerint a membránban lehorgonyzott szárszerű szerkezetet alkot, két (vagy talán három [105]) heptad ismétlődő (HR) domént, valamint a feltételezett tartományt tartalmaz. fúziós peptid (172, 198, 236, 299). A fúzióhoz szükség van egy ciszteinben gazdag doménre, amely áthidalja a horgony és a citoplazmatikus farok feltételezett találkozását, csakúgy, mint a transzmembrán domén (39).

A koronavírus tüskefehérjék vázlata. Az összes I–III. csoportba tartozó koronavírus és a SARS-CoV tüskeproteinjei láthatók. A koronavírus tüskeproteint prekurzorként szintetizálják, kotranszlációsan glikozilálják, és bizonyos esetekben hozzávetőlegesen középen S1 és S2 alegységekre hasadnak egy kétbázisú aminosavakat tartalmazó helyen (BBXBB). Az S1 a receptorkötő domént (RBD) az 5′ végén tartalmazó külső domént alkotja, amelyet MHV esetén egy hipervariábilis domén (HVR) követ. Az érett fehérje 5′ végéről lehasított rövid szignálszekvencia. Az S2 a transzmembrán alegység, amely két heptád ismétlődést (HR1 és HR2) és a transzmembrán (TM) domént tartalmaz.

Receptor kölcsönhatás, fúzió és belépés.

A koronavírusok a tüskefehérjén keresztül specifikus sejtreceptorokhoz kapcsolódnak (​ táblázat (1. táblázat). 1 ). Az első azonosított koronavírus-receptor a CEACAM 1 volt, amelyet az MHV használt (141). A vírus kötődése konformációs változást vált ki a tüskeproteinben, ami elősegíti a vírus és a sejtmembránok fúzióját (212, 369). Bár nem állnak rendelkezésre kristályszerkezetek egyetlen koronavírus-csúcsra sem, úgy gondolják, hogy más I-es típusú fúziós fehérjékhez hasonló változásokon mehet keresztül, mint például az influenzavírus hemagglutininje és a humán immundeficiencia vírus gp120, hogy közvetítse a vírus és a sejt fúzióját. membránok.

A koronavírus tüskés fehérje létfontosságú szerepet játszik a vírus behatolásában, a sejtről sejtre terjedésben és a szöveti tropizmus meghatározásában. A koronavírus bejutása általában nem pH-függő, ezért úgy gondolják, hogy közvetlenül a plazmamembránon, és nem endoszomális úton történik (​ ábra (3. ábra). 3). Vannak azonban olyan adatok, amelyek arra utalnak, hogy egyes vírusok endoszómális utat használhatnak (156, 219). A SARS-CoV bejutását lizoszomotróp szerek gátolják, ami endoszomális behatolási útvonalra utal (285, 349). Ezenkívül ez a gátlás leküzdhető a sejthez kapcsolt vírus proteázkezelésével. Ez, valamint az a megfigyelés, hogy a fertőzést a pH-érzékeny endoszomális proteáz katepszin L inhibitorai blokkolják, arra utal, hogy szükség van a SARS-CoV tüske hasítására az endoszómákon keresztül történő belépés során (213, 284). Ezenkívül a proteázkezelést követően a plazmamembránba való bejutás hatékonyabb, mint az endoszomális úton (213). Ezek a szerzők azt sugallták, hogy a SARS-CoV-csúcsot a SARS-betegek tüdejében jelenlévő gyulladásos sejtek által termelt proteázok hasítják, és így a hatékonyabb plazmamembrán útján jutnak be a sejtekbe (213). Az erősen hepatotróp MHV-2 törzs a SARS-CoV által használthoz hasonló endoszomális úton juthat be a sejtbe. Az MHV-2, akárcsak a SARS-CoV, egy hasítatlan tüskeproteint kódol, és érzékeny a lizoszomotróp ágensekre, azonban a sejthez kapcsolódó MHV-2 tüske tripszin kezelése legyőzi a lizoszomotróp ágensek által okozott gátlást (Z. Qiu és S. R. Weiss, nem publikált adatok). Ez azt sugallja, hogy a sejtfelszínen való bejutás megkövetelheti a vírusmembránban lévő tüske hasítását, míg az endoszómális behatolás a behatolás során a hasítást teheti lehetővé. Végül a hasított tüskékkel rendelkező koronavírusok is bejuthatnak a sejtbe endoszómális úton. Például, míg a vad típusú MHV-JHM pH-független úton jut be a tenyészetben lévő sejtekbe, a JHM OBLV60 mutánsát lizoszomotróp ágensek gátolják, és úgy gondolják, hogy egy lizoszómális úton jut be (221). Érdekes módon az OBLV60 erősen legyengült, és korlátozottan terjed az egér központi idegrendszerének fertőzése során (239, 316).

Általában véve a koronavírusok gazdaköre rendkívül szűk. A koronavírus azon képessége, hogy replikálódjon egy adott sejttípusban, kizárólag a receptoraival való kölcsönhatás képességétől függ (139). Például a rágcsáló koronavírus rágcsálósejtekben replikálódik, emberi és hörcsögsejtekben nem, azonban amint a nem permisszív sejteket MHV-receptort kódoló cDNS-sel transzfektálják, fogékonyak lesznek az MHV-fertőzésre (85). Számos koronavírus-receptort azonosítottak. Az I. csoportba tartozó koronavírusok, a humán HCoV-229E, a macska FIPV és a sertés TGEV mindegyike a megfelelő gazdafaj aminopeptidáz N-ét (APN), egy cinkkötő proteázt használja receptorként (352) (​ táblázat (1. táblázat). ). Van némi képesség egy másik faj megfelelő APN-receptorának felismerésére, például a HCoV-229E képes akár humán, akár macska APN-t használni receptorként, de nem tudja használni a sertés APN-t (334, 335). Az egér koronavírus csoportja által használt receptor a karcinoembrionális antigén-sejt adhéziós molekula (CEACAM) (CD66a) (43, 44, 84, 226). A CEACAM-ok olyan glikoproteinek, amelyek két vagy négy immunglobulin-szerű extracelluláris domént tartalmaznak, amelyet egy transzmembrán domén és egy citoplazmatikus farok követ (226).Részt vesznek a hepatocelluláris, vastagbél- és hámdaganatok intercelluláris adhéziójában és kialakulásában (13), és elsősorban a légutak és a belek hám- és endoteliális sejtjein, valamint más szöveteken expresszálódnak (111, 265). Az a megfigyelés, hogy a CEACAM1 gént kiütött transzgenikus egerek rezisztensek a fertőzésekkel szemben, azt mutatja, hogy valószínűleg ez az egyetlen receptor az MHV számára (131). Érdekes módon a CEACAM1 alacsony szinten expresszálódik az agyban, amely egyes MHV törzsek fertőzésének fő helye, ami arra utal, hogy a receptor alacsony szintje elegendő lehet az MHV bejutásának közvetítéséhez. A receptor expresszióját csak egy központi idegrendszeri sejttípuson mutatták ki, a mikroglián, a receptor a mikroglián a fertőzés során lelassul (257). Az erősen neurovirulens JHM törzs MHV terjedését fokozhatja a receptorfüggetlen terjedés (103, 104) és/vagy a hemagglutinin-észteráz fehérjék expressziója (lásd alább).

Más, II. csoportba tartozó koronavírusok, mint például a BCoV, OC43 és a sertés hemagglutináló encephalomyelitis vírusa 9-O-acetilezett sziálsav tartalmú receptorokhoz kötődnek (159, 253). Nem világos azonban, hogy melyek a specifikus receptormolekulák, és keveset tudunk a belépési folyamatról.

Nem sokkal a SARS-CoV azonosítása után ennek a vírusnak a receptorát az angiotenzin-konvertáló enzim 2-ként (ACE2) azonosították. Az ACE2, akárcsak az APN, az I. csoportba tartozó koronavírus-receptor, egy cink-metalloproteáz (187). A humán CD209L, egy C-típusú lekció (más néven L-SIGN, DC-SIGNR és DC-SIGN2), ha transzfektált kínai hörcsög petefészeksejtek expresszálják, a sejteket nagyon érzékenysé teszi a SARS-CoV fertőzésre, azonban lényegesen kevésbé. hatékonyabb, mint az ACE2 a belépés közvetítésében (145). A SARS-CoV S fehérje képes kölcsönhatásba lépni a DC-SIGN lektinnel, míg a DC-SIGN kötődés fokozza az ACE2-t hordozó sejtek fertőzését, önmagában nem közvetíti a bejutást ACE2 hiányában. Így a SARS-CoV kölcsönhatása ezzel a lektinnel a dendritikus sejteken (DC-ken), amelyek nem engedik meg a fertőzést, fokozhatja a SARS átvitelét a célsejtekre (135). Meglepő módon a közelmúltban kimutatták, hogy az újonnan azonosított I. csoportba tartozó humán koronavírus NL63 is ACE2-t használ receptorként (136).

Egyes koronavírusok tüskéi közvetítik a fertőzött sejtek sejt-sejt fúzióját, valamint a vírus/sejt fúziót a bejutás során, feltehetően hasonló mechanizmussal (369) (212). A vírus behatolása és a sejt-sejt fúzió azonban bizonyos különbségeket mutat a követelmények között. Például egyes MHV-JHM tüskék közvetíthetik a sejt-sejt fúziót CEACAM hiányában, míg a belépéshez a CEACAM receptor szükséges. Ezenkívül az S1 és S2 alegységekre való hasadást kiküszöbölő mutációkkal rendelkező tüskefehérjék nagyon nem hatékonyan hajtják végre a sejt-sejt fúziót, azonban hasonló hatékonysággal közvetítik az érzékeny sejtekbe való bejutást, mint a vad típusú vírus (75, 114, 181). Hasonlóképpen, az MHV-2 törzs egy hasítatlan tüskefehérjét kódol, és nem hajt végre sejt-sejt fúziót, ez a vírus hatékonyan fertőzi meg a sejteket in vitro, és súlyos hepatitist okoz in vivo (70, 132, 150). Az MHV-A59 tüskéje, amely általában a sejttenyészetben történő replikáció során hasad, nem hasad, amikor fertőzött egerek agyából vagy májából nyerik ki, ami arra utal, hogy a hasítás nem előfeltétele a fertőzésnek a hasított tüskét expresszáló törzsek esetében (133), és Az MHV bizonyos sejttípusokba való bejutása in vivo endoszomális fertőzési utat igényelhet.

Úgy gondolják, hogy a heptád ismétlődő domének és a feltételezett fúziós peptid fontos szerepet játszanak a fúziós folyamatban (103). Ezt vizsgálták leginkább az MHV tüske esetében. A töltött aminosavak hidrofób aminosavak helyettesítése a HR1-ben (és egy jelölt fúziós peptiden belül) megszünteti a sejt-sejt fúzió indukálásának képességét (198). A HR2-n belüli leucin cipzár domén mutációi gátolják a tüske azon képességét, hogy oligomerizálódjanak és gátolják a sejt-sejt fúziót (197). Az L1114 aminosav szubsztitúciói a JHM tüske HR1 doménjében (L1114R vagy L1114F) különösen érdekesek, mivel több vizsgálatban is beszámoltak róluk, számos mutáns fenotípussal összefüggésben. Az L1114R szubsztitúció egyike annak a három mutációnak, amelyekről úgy gondolják, hogy hozzájárulnak a JHM OBLV60 variánsának vírus bejutásának alacsony pH-függőségéhez, valamint a neuroattenuációjához és a szaglóhagymákra való korlátozásához az egerek fertőzése során (105). Ezenkívül az L1114R önmagában is elegendő volt ahhoz, hogy a rekombináns MHV-t a szaglóhagymákra korlátozza az egerek fertőzése során (316). Az L1114 szubsztitúcióit azonosították egy legyengített monoklonális antitest-rezisztens mutáns (327) és egy oldható-receptor-rezisztens mutáns (269, 270) tüskéjében. Érdekes módon az L1114R és L1114F szubsztitúciókat másodlagos mutációként azonosították számos, A59/JHM kiméra tüskefehérjét expresszáló rekombináns vírusban (248, 316). A JHM oldható-receptor-rezisztens mutánsa, az srr7 (amely L1114F-et tartalmazó tüskét expresszál) az S1/S2 kölcsönhatás fokozott stabilitását, a CEACAM-független fúziót indukáló képesség elvesztését (301) és a receptorral való megváltozott kölcsönhatásokat mutatta. CEACAM1 b (a CEACAM 1 a allélja, amelyet rezisztens SJ/L egerek fejeznek ki), valamint rezisztencia az oldható CEACAM1 a receptor semlegesítésével szemben (211, 212). Hasonlóképpen, az L1114R mutáció a receptor-független fúzió elvesztését és a neuroattenuációt eredményezi. Annak alátámasztására, hogy az RBD kölcsönhatásba lép az S2-vel, egy mutáció az RBD-ben funkcionálisan elnyomhatja az srr7 HR1-ében lévő L1114R mutáció hatásait, amely befolyásolta a CEACAM1 b használatának képességét (211). Így a HR doméneken belüli kis változások (például egyetlen aminosav szubsztitúció az L1114-nél) jelentős változásokat eredményezhetnek a tüske/receptor kölcsönhatásban, és így a vírus behatolásában és végül az in vivo patogenezisben.

A HR doménekre vonatkozó legújabb tanulmányok további bizonyítékot szolgáltatnak arra vonatkozóan, hogy a koronavírus-csúcs valóban I. osztályú fúziós fehérje (23). Az MHV HR1 és HR2 peptidjeit összekeverve rendkívül stabil oligomer komplexet alkotnak mindkét peptid alfa-helikális konformációjában és egymással antiparallel módon. A natív fehérjében egy ilyen konformáció várhatóan közel hozza a HR1 N-terminális doménjét és a transzmembrán horgonyzót, hogy megkönnyítse a fúziós folyamatot. Ezenkívül a HR2 peptidről kimutatták, hogy hatékonyan gátolja a vírus bejutását, valamint a sejt-sejt fúziót. Hasonló eredményeket kaptak a SARS HR tartományaira is. A SARS-CoV HR1 és HR2 peptidek összekeverve egy hasonló hat hélixből álló köteggé állnak össze, azonban ez a komplex kevésbé volt stabil, mint a megfelelő MHV komplexé. A stabilitás hiánya megmagyarázhatja, hogy a HR2 peptidek miért kevésbé gátolják a SARS-t, mint az MHV-t (22).

Szerep a patogenezisben.

A rekombináns koronavírusok, köztük az MHV (223, 246), a TGEV (274) és az IBV (35, 134) alkalmazása határozottan bebizonyította, hogy a tüske a tropizmus és a patogenitás fő meghatározója. A TGEV esetében a TGEV legyengített légúti törzsének tüskegénjének helyettesítése egy virulens enterális törzs tüskegénjével a vírust enterotróp hatásúvá teszi (274). A ​ ábra Az 5. ábra összefoglalja a tropizmus és a virulencia feltérképezését A59/JHM kiméra rekombináns MHV-kkel. A JHM törzs erősen neurotróp, súlyos, rendszerint végzetes agyvelőgyulladást és kevés, ha egyáltalán hepatitist okoz, míg az A59 törzs közepesen súlyos hepatitist okoz, és csak gyengén neurovirulens. Az A59 törzs genomjában a tüskegén helyettesítése a JHM törzs legerősebben neurotróp izolátumának tüskegénjével a kapott vírust erősen neurovirulenssé teszi (223, 246). A JHM tüske által biztosított magas neurovirulencia a központi idegrendszeren keresztüli gyors terjedéssel jár, ami részben a CEACAM receptortól és a fertőzött neuronok nagy számától függetlenül fordulhat elő (247). Az eredményül kapott kiméra vírus (JHM tüske az A59 háttérben) azonban nem olyan virulens, mint a szülői JHM, legalábbis részben azért, mert sokkal erősebb CD8 + T-sejt választ indukál. A JHM nem indukál elég erős CD8 + T-sejtes választ a kiürülés közvetítésére (201, 260 Iacono et al., nem publikált adatok). Az agyban a közeli rokon A59 és JHM törzsekkel szembeni immunválasz eltéréseinek hátterében álló mechanizmusok érdekesek és egyáltalán nem érthetők.


Nézd meg a videót: Mikológia alapjai (Lehet 2022).