Investigadores están interesados en estudiar los efectos sobre el microbioma intestinal y las infecciones resistentes a los antibióticos.
En septiembre de 2020, bioquímicos de la UW–Madison lanzaron una pequeña caja que contenía virus y bacterias al espacio para investigar cómo los microbios, como los que residen en nuestro intestino, responden a las condiciones espaciales. Ahora, las bacterias y los fagos (virus que infectan a las bacterias) han regresado a Madison con indicios de cómo los viajes espaciales podrían afectar al microbioma intestinal y pistas sobre cómo tratar las infecciones bacterianas resistentes a los antibióticos en la Tierra.
“Nuestro experimento fue más que aprender qué sucede cuando las bacterias y los fagos viajan en el espacio exterior. Estamos planteando preguntas sobre cómo las mutaciones adquiridas en el espacio podrían ser relevantes en la Tierra”, afirma el profesor de bioquímica Vatsan Raman, quien lideró el proyecto. Los hallazgos de los investigadores se publican en la revista PLOS Biology.
Las relaciones entre bacterias y fagos son esenciales para mantener un equilibrio saludable en el microbioma intestinal humano: las bacterias intestinales evolucionan para evadir la infección y, en respuesta, los fagos mutan para encontrar nuevas formas de infectar a las bacterias. El laboratorio de Raman está aprovechando esta relación para diseñar fagos que puedan competir y combatir las infecciones bacterianas.
“El espacio es un entorno tan único”, dice Philip Huss, investigador postdoctoral en el Laboratorio Raman y uno de los autores principales del estudio. “Tiene el potencial de revelar posibilidades de cómo pueden evolucionar los fagos que están ocultas en la Tierra”.
Con el aumento del tiempo que científicos y astronautas pasan en el espacio, e incluso con el inicio de los viajes espaciales recreativos, se ha vuelto importante comprender cómo los entornos con gravedad reducida (microgravedad) impactan en la danza evolutiva entre bacterias y fagos. Establecer una microgravedad sostenida es difícil en la Tierra, pero en la Estación Espacial Internacional, un laboratorio nacional espacial, es posible realizar investigaciones en condiciones de casi ingravidez que son ideales para el estudio del Laboratorio Raman.
“En la Tierra, sabemos que los fagos se mueven por su entorno y encuentran un huésped bacteriano al que infectar. Luego entran y matan a la bacteria”, explica Raman. “Pero en el espacio exterior, ¿estas reglas de enfrentamiento siguen aplicándose? Si no hay gravedad, la forma en que los fagos se mueven por su entorno será diferente. Las formas en que atacan a las bacterias también serán diferentes”. Los científicos de la UW–Madison diseñaron fagos para que exhibieran miles de mutaciones diferentes y los enviaron al espacio. Durante 25 días, los científicos de la EEI incubaron diferentes combinaciones de los fagos y las bacterias juntos y de forma aislada. De vuelta en Madison, se replicaron los mismos experimentos bajo la gravedad de la Tierra.
Diseñando un experimento para el espacio
Diseñar un experimento para el espacio requirió que los investigadores se atuvieran a un conjunto prescrito de materiales que pudieran caber en un espacio confinado. Para garantizar que su estudio fuera factible y cumpliera con los estándares de seguridad de la investigación de la EEI, el equipo se asoció con Rhodium Scientific, una empresa de biotecnología que trabaja con investigadores para facilitar la exploración científica en el espacio.
Huss y Chutikarn Chitboonthavisuk (una ex estudiante de posgrado del Laboratorio Raman) encontraron diferencias clave al comparar los fagos y las bacterias cultivados en el espacio con los cultivados en la Tierra. En el espacio, los fagos y las bacterias adquirieron mutaciones novedosas: las proteínas en las superficies de las bacterias cambiaron y, a su vez, los fagos mutaron para unirse a estas superficies alteradas. Como resultado, las mutaciones que permitieron a los fagos infectar a las bacterias en el espacio difirieron de las de la Tierra.
El Laboratorio Raman diseñó entonces fagos con una variedad de mutaciones que tuvieron éxito en el espacio para probar su eficacia contra patógenos bacterianos en la Tierra, poniendo a los nuevos fagos a trabajar contra las bacterias responsables de las infecciones del tracto urinario. Actualmente, más del 90% de las bacterias que causan las ITU son resistentes a al menos un antibiótico.
“Encontramos que las nuevas combinaciones de mutaciones de fagos fueron realmente eficaces para matar los patógenos de las ITU en la Tierra”, dice Raman. “Y eso es bastante sorprendente. ¿Por qué un experimento en el espacio informaría sobre cómo diseñar terapias de fagos en la Tierra? No lo sabemos exactamente, pero una de nuestras hipótesis es que los factores ambientales que estresan a las bacterias de las ITU de alguna manera imitan el estrés que las bacterias experimentan en la microgravedad, lo que hace que sus proteínas superficiales sean similares”.
Con la experiencia adquirida a través del primer viaje experimental, los investigadores ahora están trabajando en responder a preguntas más amplias, con experimentos que aún deben caber en la misma pequeña caja, para un futuro lanzamiento espacial.
“Primero, planteamos preguntas básicas de microbiología, solo en el espacio”, dice Huss. “Ahora, estamos listos para estudiar sistemas de múltiples fagos y bacterias que representen más fielmente la complejidad del microbioma humano. ¿Qué interacciones novedosas ocurren en el espacio y qué podemos aprender de ellas aquí en la Tierra?”
La investigación en la Universidad de Wisconsin–Madison impulsa la innovación, salva vidas, crea empleos, apoya a las pequeñas empresas y alimenta las industrias que mantienen a Estados Unidos competitivo y seguro. Hace que Estados Unidos y Wisconsin sean más fuertes. La financiación federal para la investigación es una inversión de alto rendimiento que vale la pena defender.
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Este estudio fue financiado por la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa (Subvención HDTRA1-16-1-0049.
