Virus e batteri lasciati nello spazio evolvono mutazioni sorprendenti: la scoperta al ritorno sulla Terra
Batteri e virus batteriofagi (o semplicemente fagi) lasciati insieme nello spazio, dopo un periodo iniziale di “assestamento” hanno sviluppato mutazioni sorprendenti legate alla microgravità. Da una parte i batteri, che hanno manifestato cambiamenti nei geni legati a proteine di superficie, gestione dei nutrienti e stress, dall'altra i fagi, che hanno accumulato mutazioni per migliorare l'infettività e la capacità di legarsi ai recettori superficiali mutati delle "prede". Ciò ha comportato un botta e risposta evolutivo tra i microrganismi molto diverso da quello (ben noto) che si verifica sulla Terra. L'aspetto più sorprendente di questa “guerra stellare” risiede nello sviluppo di mutazioni che hanno permesso di progettare fagi in grado di uccidere efficacemente un ceppo terrestre di Escherichia coli resistente agli antibiotici. In parole semplici, studiare questi microrganismi nello spazio non solo può aiutarci a comprendere meglio la relazione tra batteri e fagi, ma anche a sviluppare terapie innovative contro la farmacoresistenza. Alcuni ceppi di E. coli sono infatti annoverati tra i famigerati “superbatteri”, un gruppo eterogeneo di microbi considerato una vera e propria emergenza globale dall'Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS), che entro il 2050 potrebbe uccidere 40 milioni di persone.
A condurre lo studio su fagi e batteri inviati nello spazio è stato un team di ricerca statunitense guidato da scienziati del Dipartimento di Biochimica dell'Università del Wisconsin-Madison, che hanno collaborato a stretto contatto con i colleghi del Dipartimento di Batteriologia e dell'azienda Rhodium Scientific Inc. di Houston. I ricercatori, coordinati dal professor Phil Huss, sono giunti alle loro conclusioni dopo aver inviato nel 2020 un modulo contenente i microbi sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS). Gli astronauti sul laboratorio orbitante e i ricercatori a Terra hanno osservato le interazioni – con varie modalità e tempistiche – tra il batteriofago T7 e il ceppo di Escherichia coli BL21, che sono stati tenuti insieme da alcune ore fino a un massimo di 23 giorni. Come indicato, sono state osservate molteplici mutazioni in entrambi i microscopici organismi, dopo un avvio lento in cui i fagi faticavano ad attaccare i batteri in microgravità.
Precedenti esperimenti avevano dimostrato che i batteri coltivati nello spazio mostrano alterazioni significative nella fisiologia, con mutazioni nella regolazione genica e metaboliche. Ad esempio, in microgravità aumenta la formazione di biofilm e i tassi metabolici schizzano alle stelle, inoltre si determina una difficoltà nel rimuovere le sostanze di scarto del metabolismo e l'assorbimento dei nutrienti. Queste modifiche portano anche ad alterazioni della membrana cellulare. Per far fronte a queste condizioni difficili, i batteri rispondono con adattamenti ad hoc che alterano le proteine superficiali, compresi i recettori presi di mira dai fagi. Sono cambiamenti che possono modificare sensibilmente le capacità di infezione dei batteriofagi. Gli esperimenti nello spazio hanno dimostrato che l'interazione tra fagi e batteri viene alterata profondamente dalla microgravità; il sequenziamento genomico ha infatti rilevato lo sviluppo di mutazioni di adattamento e contromutazioni per superare le difese batteriche nate nello spazio. Il processo di attacco rallenta, ma alla fine l'infezione riesce comunque e i fagi riescono ad avere la meglio sui batteri stressati e mutati.
“I fagi della stazione spaziale hanno gradualmente accumulato mutazioni specifiche che potrebbero aumentare la loro infettività o la loro capacità di legarsi ai recettori presenti sulle cellule batteriche. Nel frattempo, l' Escherichia coli della stazione spaziale ha accumulato mutazioni che potrebbero proteggerlo dai fagi e migliorare la sopravvivenza in condizioni di quasi assenza di gravità”, hanno scritto gli scienziati in un comunicato stampa, aggiungendo che lo spazio cambia radicalmente il modo in cui avviene l'interazione. L'analisi mutazionale del dominio di legame del recettore fagico “ha rivelato differenze sorprendenti nel numero, nella posizione e nelle preferenze mutazionali tra condizioni terrestri e di microgravità, riflettendo le differenze sottostanti nell'adattamento batterico”, hanno spiegato gli esperti. Entrambi gli organismi "si evolvono lungo una traiettoria diversa rispetto alla Terra".
L'aspetto più intrigante di questa scoperta risiede nel fatto che i fagi mutati dalla microgravità hanno permesso agli scienziati di crearne altri efficaci contro batteri del tratto urinario resistenti agli antibiotici (lo sono la maggior parte). Da questo approccio inedito potrebbero nascere nuove terapie contro i superbatteri: “Studiando questi adattamenti dovuti allo spazio – spiegano Huss e colleghi – abbiamo identificato nuove conoscenze biologiche che ci hanno permesso di progettare fagi con un'attività di gran lunga superiore contro i patogeni resistenti ai farmaci sulla Terra.” La speranza è di poter arrivare a nuove soluzioni terapeutiche. I dettagli della ricerca "Microgravity reshapes bacteriophage–host coevolution aboard the International Space Station" sono stati pubblicati sulla rivista scientifica PLOS Biology.
