A Estação Espacial Internacional (ISS) é um ecossistema fechado, e a biologia dentro dela – incluindo os seus residentes microbianos – não se comporta necessariamente da mesma maneira no nosso planeta natal.
Para entender melhor como micróbios podem agir de maneira diferente no espaço, pesquisadores da Universidade de Wisconsin-Madison estudaram bacteriófagos – vírus que infectam bactérias, também chamados de fagos – em ambientes idênticos, tanto no ISS e na Terra. Seus resultados, publicados recentemente na revista Biologia PLOS, sugerem que a microgravidade pode atrasar infecções, remodelar a evolução de fagos e bactérias e até revelar combinações genéticas que podem ajudar no desempenho contra bactérias ligadas a doenças na Terra.
“Estudar sistemas fago-bactérias no espaço não é apenas uma curiosidade para a astrobiologia; é uma maneira prática de compreender e antecipar como os ecossistemas microbianos se comportam em espaçonaves e de explorar novas soluções para terapia fágica e engenharia de microbioma em casa.” Phil Huss, professor da Universidade de Wisconsin-Madison e um dos principais autores do estudo, disse ao Space.com.
Noções básicas de bacteriófago
Os bacteriófagos, ou fagos, são as entidades biológicas mais abundantes no planeta, com especialistas estimam cerca de 1031 ou dez não-milhões de bacteriófagos na Terra. Não é de surpreender que os bacteriófagos, nome que significa “comedores de bactérias”, sejam encontrados em todos os lugares, moldando os ecossistemas microbianos nos oceanos, nos solos e até mesmo nos nossos corpos. Mas um lugar onde os fagos podem ter o maior impacto humano é como possível tratamento contra bactérias resistentes a antibióticos e outras infecções bacterianas.
Esses fagos funcionam como minúsculos “sistemas de entrega” envoltos em proteínas. Mas, diferentemente de um entregador que oferece uma pizza deliciosa, alguns fagos (como o fago T7 usado neste estudo) infectam bactérias ao anexando a um recurso de superfície específico na célula – muitas vezes uma molécula embutida nas membranas externas da célula bacteriana – e injetando seu material genético. Uma vez lá dentro, o fago sequestra a maquinaria da bactéria para fazer muitas cópias de si mesmo. Finalmente, explode a célula bacteriana e libera uma nova onda de partículas fágicas que podem infectar bactérias próximas.
Este processo específico de ataque do fago inicia então uma corrida armamentista evolutiva entre fagos e bactérias, pois as bactérias podem desenvolver resistência a esses ataques alterando ou ocultando a “plataforma de pouso” do fago encontrada na superfície da célula.
E as coisas só ficam mais complicadas quando a microgravidade está envolvida.
Um confronto vírus-bactéria em órbita
Para estudar como a microgravidade afeta esse processo os pesquisadores usaram um bacteriófago chamado T7 e sua presa bacteriana Escherichia coli, ou o que é mais comumente conhecido como E. coli. Para isolar os efeitos da microgravidade da forma mais limpa possível, a equipe preparou dois conjuntos idênticos de tubos de amostra da bactéria, sem agitar e incubados na mesma temperatura por uma, duas ou quatro horas, e um período mais longo de 23 dias. Um conjunto de tubos foi para a ISS em 2020transportado por Northrop Grummando NG-13 Nave espacial Cygnus enquanto o outro permaneceu abaixo da Terra.
“O experimento teve que funcionar dentro das restrições estritas da NASA: os criotubos selados tiveram que passar por testes de biocompatibilidade e vazamento, resistir a vários ciclos de congelamento e descongelamento e permanecer seguros para serem manuseados em órbita”, explicou Huss. “O tamanho da amostra é muito menor do que estamos acostumados terrestremente e projetar um experimento em torno disso é um desafio!”
A equipe também variou as proporções iniciais de fago para E. coli de modo que seria esperado que algumas amostras com mais fagos fossem infectadas rapidamente, enquanto outras levariam mais tempo e mostrariam uma dinâmica mais forte.
Como as duas experiências não puderam decorrer em paralelo perfeito, a equipa registou os tempos exatos de incubação na ISS e depois combinou-os na Terra, uma solução alternativa comum para muitas experiências biológicas da ISS.
A microgravidade retarda as interações
Sob condições típicas de laboratório da Terra, os fagos T7 podem infectar e matar E. coli células em bem menos de uma hora, dado o ciclo de vida do fago. Mas na configuração do sistema completamente selada e sem vibrações, que imitava as condições de microgravidade, o sistema se movia mais lentamente em geral.
Na Terra, o grupo de controle apresentou um aumento nas infecções bacterianas entre duas e quatro horas, mas na microgravidade, o aumento não apareceu em nenhum dos períodos mais curtos de incubação, sugerindo que o processo de infecção dos fagos tinha desacelerado. No entanto, os frascos de incubação mais longos contavam uma história diferente, pois após 23 dias em órbita, o processo de infecção foi bem sucedido com menos E. coli encontrado nos frascos.
Então, por que os pesquisadores acham que a desaceleração aconteceu?
“Nossa hipótese é que a redução da mistura de fluidos na microgravidade, porque não há convecção impulsionada pela gravidade, reduz a taxa de encontro entre fagos e bactérias, e que o estresse induzido pela microgravidade no hospedeiro pode alterar a expressão do receptor ou processos intracelulares, retardando ainda mais a infecção produtiva”, acrescentou Huss.
Por outras palavras, na microgravidade, os fagos e as bactérias não se chocam uns com os outros com tanta frequência e as bactérias podem ter evoluído para serem mais resistentes aos ataques dos fagos que dificultam a infecção, pelo que todo o ciclo começa mais tarde do que na Terra.
Mutações de microgravidade
Após 23 dias, a equipe analisou a composição genética dos fagos e viu mutações em todo o seu genoma, mas com mutações específicas da microgravidade, especialmente em genes ligados à estrutura e à interação do hospedeiro. Essas mutações mudaram a forma como o fago infecta as bactérias.
“Para mim, uma das descobertas mais surpreendentes não foi apenas o aparecimento de mutações no genoma do fago, mas também o facto de a microgravidade ter empurrado a evolução para cantos do fago que ainda não compreendemos totalmente”, disse Huss.
Com base nas suas descobertas, a microgravidade pode não apenas mudar a forma como rápido infecção acontece, mas também quais dos genes de um vírus importa mais quando se trata de infectar com sucesso um hospedeiro bacteriano.
“Estamos apenas começando a arranhar a superfície”, disse o Dr. Srivatsan Raman, da Universidade de Wisconsin-Madison, outro autor principal do estudo, ao Space.com. “Só precisamos fazer mais experimentos com condições mais complexas”.
Os fagos não foram os únicos a mudar, pois as bactérias também pareciam evoluir. O E. coli expostos aos fagos acumularam muito mais mutações do que bactérias sem ameaças de fagos, consistente com a pressão de seleção que impulsiona as corridas armamentistas evolutivas.
Algumas das mudanças mais notáveis atingiram genes ligados às membranas externas, alterando potencialmente a ligação dos fagos e ajudando as bactérias a sobreviver ao estresse.
“A microgravidade não apenas desacelera as coisas, ela remodela qualitativamente a coevolução fago-hospedeiro, desde a dinâmica da infecção até os genes e mutações específicas que importam”, observou Huss.
A microgravidade como um caminho a seguir para a medicina baseada na Terra?
Usando uma técnica chamada varredura mutacional profundaa equipe procurou mais de 1.600 variantes de mutação no genoma do fago, descobrindo que as mutações “vencedoras” na microgravidade diferiam acentuadamente daquelas da Terra.
“Nossos resultados apoiam a microgravidade como um distinto ambiente de seleção que revela diferentes partes do cenário de fitness do que podemos capturar terrestremente”, disse Huss.
Os pesquisadores usaram essas mutações para criar fagos alterados que testaram em uropatogênico E. coli – cepas de E. coli associados a infecções do trato urinário – que eram mais resistentes aos ataques dos fagos T7. Os resultados mostraram que esses vírus alterados poderiam matar as bactérias resistentes.
“O que descobrimos no estudo foi que fagos mutantes enriquecidos em microgravidade poderiam tratar bactérias uropáticas e matá-las. Então, isso nos diz que há algo na condição de microgravidade que a torna relevante para o tratamento de patógenos na Terra”, disse Raman.
Isto tem grandes implicações para possíveis tratamentos futuros de doenças bacterianas aqui na Terra, desde envenenamento por salmonela até pneumonia e sepse. Mas realizar os testes adicionais necessários para chegar lá pode ser complicado.
“Realizar esses experimentos na ISS não é trivial”, acrescentou Raman. “Quero dizer, isso leva anos de planejamento e há muitos desafios logísticos a serem superados. Para executar esses experimentos, realizá-los de maneira rotineira seria, na verdade, um pouco desafiador de executar.”
E quanto ao futuro dos voos espaciais?
Passando do microscópico para o macroscópico, estes resultados sugerem que os micróbios espaciais não permanecerão estáticos, mas sim se adaptarão e evoluirão de maneiras específicas da microgravidade.
“O que os nossos dados deixam claro é que os micróbios podem adaptar-se rapidamente e de formas inesperadas na microgravidade”, acrescentou Huss. “Em princípio, essas mesmas pressões poderiam enriquecer características com as quais nos preocupamos na Terra, incluindo resistência a medicamentos ou virulência alterada. Esta é uma trajetória evolutiva plausível que futuras experiências devem testar ativamente, monitorizando a suscetibilidade aos antibióticos, as respostas ao stress e as interações competitivas ao longo do tempo.”
Poderiam estas adaptações ser realmente uma ameaça para os humanos em missões espaciais de longo prazo? Possivelmente, mas para Raman, são necessários mais testes antes que essa conclusão possa ser alcançada.
“Os patógenos evoluem o tempo todo”, disse Raman. “Acho que deveríamos fazer mais estudos para ver se as bactérias podem evoluir para mutações que possam torná-las mais patogênicas em condições de microgravidade. Essas não são experiências que realmente fizemos neste estudo.
“Mas as bactérias são muito resistentes e evoluem o tempo todo. Portanto, não descartaria a possibilidade, mas, novamente, é preciso fazer estes experimentos rigorosos para perguntar: pode uma bactéria se tornar um patógeno nas condições da ISS?”
Uma dessas áreas de futuras pesquisas espaciais poderia ser a observação do microbioma humano, pois ainda não é bem compreendido como o microbioma evolui nas condições do espaço.
Para os humanos na Terra, os resultados deste estudo são mais positivos, uma vez que a microgravidade pode ajudar os cientistas a desenvolver fagos que podem matar bactérias mais resistentes.
“O verdadeiro poder dessas paisagens de fitness derivadas do espaço é que elas não são independentes. Elas podem ser mescladas com os ricos conjuntos de dados terrestres que já temos para aprimorar estratégias de engenharia para casos de uso terapêutico. Essa é sem dúvida a conclusão mais imediatamente acionável”, disse Huss.
