Как говорил Парацельс, отличие между ядом и лекарством заключается в дозировке. Это предполагает не только то, что избыток чего-то плохого вредит человеку, но и избыток чего-то хорошего делает то же самое. Данный принцип относится не только к фармацевтике, но и к окружающей среде. Избыток загрязнения в виде химических соединений или вредоносных микроорганизмов естественно не несет ничего полезно. Однако, чрезмерная стерильности в некоторых ситуациях также вредна. Ученые из Калифорнийского университета (Окленд, США) провели исследование, в котором установили, что крайне низкое содержание микроорганизмов на МКС может быть одной из причин различных иммунных отклонений у астронавтов. Какой микробиом есть на МКС, и чего именно по мнению ученых там не хватает? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Проживание на МКС требует поддержания искусственной среды, полностью изолированной от Земли. Поддержание здоровья астронавтов, а также растений и животных, необходимых для космических экосистем, имеет решающее значение для длительного космического проживания. Ожидается, что переход от земной к внеземной жизни станет сложной задачей, особенно учитывая проблемы медицинского обслуживания людей в космосе. Поэтому понимание того, как микробная среда в космосе соотносится с земной средой с различными характеристиками экосистемы, имеет решающее значение.
Эволюция условий жизни человека изменила не только наши микробные сообщества, но и химическую среду. Современная химическая промышленность ввела в обращение искусственные соединения, которые никогда не появлялись в нашей эволюционной истории, такие как лекарства, пестициды, антипирены, пластификаторы и пятновыводители. Несмотря на их неоценимую важность в нашей повседневной жизни, многие из этих синтетических химикатов были связаны с неблагоприятными последствиями для здоровья, такими как рак, эндокринные нарушения, нейротоксичность или врожденные дефекты.
Условия космического полета могут пагубно влиять на иммунную функцию членов экипажа и повышать устойчивость к противомикробным препаратам (AMR от antimicrobial resistance), образование биопленки и вирулентность микроорганизмов, что повышает риски для здоровья астронавтов из-за взаимодействия хозяина и микроорганизма. Чтобы снизить этот риск на Международной космической станции (МКС), космические агентства регулярно исследуют микроорганизмы окружающей среды. Предыдущие исследования показывают, что на поверхностях МКС преобладают микробы, связанные с человеком, с динамикой, связанной с ротацией экипажа. Метагеномный анализ выявил новые бактериальные клады, охарактеризовал микробные резистомы и спрофилировал потенциал вирулентности, в то время как достижения биоинформатики дополнительно продемонстрировали активную бактериальную пролиферацию.
Подходы, зависящие от культуры, охарактеризовали изоляты с поверхностей МКС, включая патогены. Однако пангеномный метаанализ эпидемиологически значимых изолятов выявил гены, обогащенные в искусственной среде, независимо от того, были ли они собраны на Земле или в космосе. Сравнительные геномные исследования между изолятами МКС и наземными изолятами предполагают, что внеземная среда выбирает экстремальную физическую и химическую толерантность без значительного увеличения рисков для здоровья. Тем не менее были выявлены потенциальные угрозы для здоровья астронавтов и целостности космического корабля, включая виды микроорганизмов и химические загрязнители, превышающие земные уровни в помещениях. В дальнейшем упреждающий микробиологический мониторинг позволит выявить новые проблемы и усовершенствовать стратегии для долгосрочного обитания в космосе.
Отсутствие полезных микробов в среде МКС является еще одной заметной проблемой. Данные все чаще связывают хронические воспалительные заболевания в развитых странах с уменьшенным воздействием микробов, что является следствием современного поведения, такого как проживание в помещении, улучшенная гигиена и изменения в питании. Эти сдвиги могут усугубить воспалительные реакции на безвредные агенты. На МКС астронавты обычно испытывают постоянные высыпания, атипичные аллергии и иммунную дисфункцию, связанную с космическим полетом, включая латентную реактивацию вируса и грибковые или бактериальные инфекции. Помимо здоровья астронавтов, исследования МКС предлагают ценную информацию для улучшения управления микробными рисками в медицинских учреждениях на Земле.
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают трехмерное микробное картирование (3DMM от three-dimensional microbial mapping), амбициозное исследование, направленное на широкое картирование микробной и химической среды внеземной среды обитания человека. Сосредоточившись на американском орбитальном сегменте (USOS от US Orbital Segment) МКС, ученые сравнили профили МКС с наземными аналогами.
Результаты исследования
Изображение №1
Всего на борту USOS МКС во время экспедиции 64 было собрано 803 парных образца с поверхности окружающей среды (737 мазков с поверхности и 66 контролей; 1A и 1B). Больше образцов было собрано из модулей МКС с более высокой занятостью. Каждый образец прошел ампликон и метагеномное секвенирование методом дробовика*, а также нецелевую метаболомику (1C).
Метод дробовика* — метод, используемый для секвенирования длинных участков ДНК. Суть метода состоит в получении случайной массированной выборки клонированных фрагментов ДНК данного организма, на основе которых может быть восстановлена исходная последовательность ДНК.Оба слоя данных были визуализированы с помощью трехмерных (3D) моделей МКС, что дало подробную картину внутренних условий поверхности космической станции (1D; видео №1).
Видео №1
Слой геномных данных привел к набору данных ампликонов с 10892 субоперационными таксономическими единицами (sOTU от sub-operational-taxonomicunit) и таблицами видов метагеномики с 440 и 896 видами, соответствующими справочным базам данных Web of Life (выпуск 2) и RefSeq NCBI (выпуск 210) соответственно.
Слой нецелевых метаболомных данных содержит 10961 и 9746 молекулярных признаков (уникальных пар точного времени удерживания массы, представляющих уникальные метаболиты или инструментальные аддукты), обнаруженных с помощью положительных и отрицательных режимов ионизации электрораспылением соответственно. Анализ насыщения пространства признаков показывает, что этот набор данных полностью представляет наблюдаемую микробиоту и метаболом окружающей среды в USOS МКС.
Данные находятся в открытом доступе на Qiita, MassIVE и в репозитории открытого научного каталога NASA (OSDR).К данным ампликона гена 16S рРНК (16S) был применен строгий контроль качества с низкой биомассой с помощью KatharoSeq, что позволило получить ресурс микробной таксономии, охватывающий 384 образца поверхности из девяти модулей МКС. В отличие от наземных сред, все модули МКС имеют схожие контролируемые атмосферные условия, что поднимает вопрос о том, различается ли микробное разнообразие между модулями.
Для изучения этого использовались показатели альфа-разнообразия, включая таксономическое богатство (наблюдаемые признаки) и филогенетическое разнообразие (PD от phylogenetic diversity). Дисперсионный анализ типа II (ANOVA) показал, что модуль, из которого был получен каждый образец («модуль происхождения»), значительно повлиял на альфа-разнообразие. Смежные модули иногда различались по альфа-разнообразию, что говорит о том, что факторы окружающей среды, общие для взаимосвязанных модулей, такие как атмосферное парциальное давление, температура и воздействие радиации, сами по себе не могут объяснить различия в альфа-разнообразии.
Большая разница в альфа-разнообразии между соседним японским экспериментальным модулем — герметичным модулем (называемым JPM от Japanese Pressurized Module) и японским экспериментальным модулем — герметичным сегментом логистического эксперимента (называемым JLP от Japanese logistics pressurized) (1A) говорит о том, что модели использования модулей могут влиять на микробное разнообразие больше, чем условия окружающей среды. Хотя JLP в основном функционирует как складское помещение, оно также использовалось для личной гигиены (мытья тела, мытья лица и чистки зубов) во время экспедиции 64. Напротив, JPM в основном предназначен для экспериментальной деятельности.
Изображение №2
Учитывая дисперсию микробного разнообразия в модулях, возник вопрос о том, существует ли также систематическая вариация в типах присутствующих микробов. Анализ бета-разнообразия с учетом состава и филогенетической информации (phylo-RPCA от phylo-robust principal component analysis, т. е. фило-робастный анализ главных компонентов) был использован для проведения попарных сравнений микробного состава (расстояние Эйтчисона) между образцами (2A). Прямой пошаговый анализ избыточности выявил четыре значимые переменные, объясняющие 23.25% вариации данных. Модуль происхождения имел наибольший размер эффекта (18.49%), что предполагает, что образцы из каждого модуля имеют уникальную сигнатуру микробного состава (2A). Некоторые образцы из соседних модулей (узел 3 и постоянный многоцелевой модуль [PMM от permanent multipurpose module]) группировались вдоль первого главного компонента (PC1), но попарные сравнения показали, что физически взаимосвязанные модули могут быть более неоднородными по составу, чем физически разделенные.
Действительно, постфактум пермутационный многомерный дисперсионный анализ (PERMANOVA) дополнительно выявил значительные различия в микробном составе в половине парных, физически взаимосвязанных модулей. Модули, в основном используемые для экспериментов и обслуживания космических аппаратов (US Lab, Columbus и JPM), не имели существенных отличий по микробному составу от соседних модулей, в основном используемых для проживания. Это позволяет предположить, что эти экспериментальные модули получают свои микробы из близлежащих областей человеческой деятельности.
Затем исследование переключилось на выявление конкретных таксономических групп, ответственных за эти различия между образцами и модулями. Для достижения этого микробные признаки, полученные с помощью секвенирования 16S, однонуклеотидно-разрешенные, скорректированные по ошибкам (денозированные) последовательности ампликонов, известные как sOTU, были подвергнуты мелкозернистой таксономической классификации, за которой последовал филогенетический анализ распределения с использованием EMPress в сочетании с Greengenes2 (2B).
Дисперсия, зафиксированная ординацией фило-RPCA, может быть объяснена с точки зрения конкретных признаков, при этом верхний 1% sOTU по важности принадлежит только восьми филумам, которые составляют большую часть наблюдаемой дисперсии в составе микробиоты на поверхностях МКС (2A). В частности, sOTU, классифицированные как Staphylococcus (Firmicutes_D) и Pantoea_A_679409 (Proteobacteria), оба космополитные микробы, сгруппировались вдоль PC1 ординации фило-RPCA. Таксономическая идентичность наиболее распространенных и преобладающих sOTU, обнаруженных на поверхностях МКС, в значительной степени совпала с предыдущими отчетами об экологической микробиоте космической станции, состоящей в основном из микробов, связанных с человеком (2C).
Чтобы исследовать происхождение микробов поверхности МКС, выявить недостаточно представленные микробы, которые в противном случае часто встречаются на поверхности Земли, и определить варианты микробного пополнения, были проведены отслеживание микробных источников и филогенетический анализ. Данные секвенирования ампликонов из этого исследования сравнивались с общедоступными наборами данных, полученными из Qiita с помощью redbiom и проанализированными с помощью SourceTracker2. Учитывая двадцатилетнюю изоляцию МКС от Земли, микробный вклад в космическую станцию ограничивается строительными материалами, ротацией членов экипажа, миссиями по пополнению запасов (еда, расходные материалы для обслуживания, экспериментов и т. д.) и реконфигурацией компонентов космической станции (модульные стойки и детали). Следовательно, потенциальные среды источников микробов были сосредоточены на образцах, связанных с человеком-хозяином (кожа человека, полость рта, нос, фекалии и моча), продуктах питания и строительных материалах. Свободноживущие, связанные с окружающей средой микробы были представлены образцами из земной почвы (не засоленной) и воды (засоленной и незасоленной).
В соответствии с внутренними искусственными средами отслеживание источников показало, что человеческая кожа является основным источником микробных признаков МКС (2C). Напротив, вклад свободноживущих наземных источников был минимальным. Это позволяет предположить, что у астронавтов отсутствует типичное для Земли воздействие микробов окружающей среды. Среди источников, не связанных с хозяином, наибольший вклад внесли строительные материалы.
Модели использования модулей сильно повлияли на микробный вклад. Например, микробы из пищи были наиболее заметны в узле 1, который используется для приема пищи, приготовления пищи и хранения продуктов. Вклад фекалий и мочи был самым высоким в узле 3, где находится отсек для отходов и гигиены (WHC от Waste and Hygiene Compartment). Пропорции SourceTracker2, отображенные в 3D с использованием ili, иллюстрируют эти модели отложений по модулям.
Отслеживание источника также выявило специфические особенности, которые можно использовать для восстановления микробной среды МКС, чтобы она напоминала земные условия. Сравнение микробных особенностей поверхности МКС (2B) среди образцов потенциальных сред микробных источников выявило клады, преобладающие в определенных средах (2D). Ученые ожидали наблюдать каждую микробную кладу в соответствующих условиях окружающей среды для ее эволюционного контекста. Например, клады Firmicutes_A были обогащены в образцах человеческих фекалий, тогда как некоторые клады Proteobacteria были более распространены в экологически связанных, наземных средах. Как и ожидалось, Staphylococcus, наиболее распространенный микроб МКС, был распространен в источниках, связанных с человеком (кожа = 99.2%, нос = 97.8%), но редок в образцах окружающей среды (вода [солевая] = 10.4%, вода [несолевая] = 5.2%, почва [несолевая] = 3.73%).
Изображение №3
Ученые использовали нецелевую метаболомику для инвентаризации обнаруживаемых молекул на поверхностях МКС. Сопоставляя с библиотекой спектров сообщества GNPS (уровень 2/3 согласно инициативе стандартов метаболомики 2007 года), 3% признаков были аннотированы в режимах положительной (n = 296) и отрицательной (n = 281) ионизации. Ученые подтвердили 7% аннотаций с помощью тандемной масс-спектрометрии (MS/MS) и времени удерживания, совпадающего с коммерческими стандартами (3A, 3B).
Химические вещества, улавливаемые на поверхностях МКС, имеют разное происхождение, включая промышленные материалы (например, перфторалкильные и полифторалкильные вещества, химикаты, полученные из резины, и пластификаторы), поверхностно-активные вещества и дезинфицирующие средства (например, производные полиэтиленгликоля, амидопропилбетаины и дезинфицирующие средства на основе четвертичного аммония), соединения растительного и пищевого происхождения (например, полифенолы, флавоноиды, ксантины, алкалоиды и производные), метаболиты человека или животных (например, ураты, карнитины и длинноцепочечные жирные кислоты), эндогенные микробные метаболиты (например, фенилацетилглутамин, гиппуровая кислота и индоксилсульфат) и микробные метаболиты окружающей среды (например, асперфенамат; 4A).
Изображение №4
Для диагностики источников молекул на поверхностях МКС ученые сравнили спектры MS/MS обнаруженных молекул с общедоступными наборами данных жидкостной хроматографии-тандемной масс-спектрометрии (LC-MS/MS), включая микробные монокультуры, пищевые экстракты, линии человеческих клеток и средства личной гигиены. Наложения в спектрах MS/MS позволяют предположить, что большая часть химических веществ на поверхности МКС, вероятно, происходит из микробных источников (14% связаны исключительно с микробным метаболизмом), пищевых источников (2.1% связаны исключительно с пищевыми эталонами), источников человеческого происхождения (0.2% связаны исключительно с человеческими клеточными линиями) или средствами личной гигиены (0.6%). Примерно 2.9% признаков накладывались более чем на одну эталонную категорию, 16% соответствовали пустым пробам и эталонам контроля, а оставшиеся 65% пока не удалось проследить до их источников. Совпадения с эталонными наборами данных соответствовали аннотациям библиотеки спектров MS/MS.
Для дальнейшего определения источников химических признаков с совпадениями MS/MS с микробными ссылками ученые исследовали их корреляции с микробными данными 16S. Из тех, у кого была положительная корреляция, 31% соответствовали референтным наборам данных микробных монокультур в пределах того же филума, что и коррелированные микробы (4B). Например, химический признак, коррелирующий с двумя микробами из филума Proteobacteria, соответствовал референтным наборам данных как Proteobacteria, так и Bacteroidetes. Аналогично, другой химический признак, коррелирующий с микробами из филумов Firmicutes, Actinobacteriota и Proteobacteria, соответствовал референтным наборам данных метаболомики из монокультур Firmicutes. Примечательно, что эта последняя особенность также продемонстрировала соответствие на уровне рода, поскольку она положительно коррелировала со стафилококками на поверхностях МКС и наблюдалась в референтных наборах данных монокультур Staphylococcus aureus. Это позволяет предположить, что метаболизм стафилококка может быть потенциальным источником этой неаннотированной химической особенности.
Из 10961 признаков, обнаруженных в режиме положительной ионизации, большинство (79%) присутствовали в образцах по крайней мере из семи из девяти модулей под давлением (4C). Аннотированные химические вещества, преобладающие в большинстве модулей, включали метаболиты хозяина (например, жирные кислоты, фосфолипиды и аминокислоты), молекулы пищи (например, катехин) и промышленные химикаты (например, фталаты, поверхностно-активные вещества полиэтиленгликоля и дезинфицирующие средства на основе четвертичного аммония). Некоторые молекулярные признаки были специфичны для модуля: 249 были обнаружены только в одном модуле и 387 — только в двух (4D). Узел 3 содержал наибольшее количество признаков, специфичных для модуля (149), за ним следовали PMM (56) и узел 1 (22). Узел 3 имел наибольшее количество уникальных признаков, вероятно, из-за большего количества образцов, собранных из этого модуля (1A), и его уникального использования в качестве WHC и зоны физических упражнений. Примечательно, что хотя PMM занял 6–7 место по количеству собранных образцов, он оказался на втором месте по количеству уникальных особенностей, потенциально связанных с разнообразным ассортиментом хранящихся в PMM грузов, его использованием для личной гигиены (мытье тела, мытье лица и чистка зубов) и его взаимосвязанностью с узлом 3.
Исследование источников характеристик, специфичных для модуля, посредством спектрального сопоставления с эталонными наборами данных показало, что преобладающее использование модуля определяет химию поверхности. Хотя характеристики, уникальные для других модулей, имели минимальные соответствия с эталонными наборами данных о продуктах питания, 20% характеристик, уникальных для узла 1, были сопоставлены с продуктами питания. Это согласуется с ролью узла 1 как столовой и зоны хранения продуктов питания. Уникальные микробные молекулы были обнаружены в узле 3, PMM и узле 1, что соответствует их различным микробным профилям (2A). Только одна специфичная для модуля характеристика совпала со средствами личной гигиены/чистки, что указывает на то, что большинство поверхностно-активных веществ и дезинфицирующих химикатов повсеместно присутствовали на поверхностях МКС, но не были привязаны к местоположению.
Отличительные «химические горячие точки» в различных модулях подчеркивают их уникальный химический состав. Тренажер (ARED от advanced resistive exercise device), система генерации кислорода (OGS от oxygen generation system) и WHC выделялись как три отдельные химические горячие точки в узле 3. Химические вещества с самым высоким содержанием на поверхностях ARED включали N,N-диметилтетрадециламин (ингибитор коррозии; 3C), тетраэтиленгликоль ди(2-этилгексаноат) (распространенный химикат для клея и герметика) и дифенилгуанидин (добавка к резине). WHC, служащий «космическим туалетом», показал самое высокое содержание мочевых метаболитов, таких как пироглутаминовая кислота, фенилацетилглутамин (3C), индоксилсульфат, гиппуровая кислота и доксиламин — распространенный антигистаминный препарат. Ни одно из химических веществ с высоким содержанием в области OGS не было аннотировано. Интересно, что все PFAS, аннотированные в этом исследовании (n = 8), показали самую высокую распространенность на поверхности рядом с беговой дорожкой, которая является единственной областью, покрытой тканью в узле 3 (3C). Это согласуется с частым использованием PFAS в тканях в качестве водо-, жиро- и пятноотталкивающих средств. Для сравнения, узел 1 продемонстрировал химические горячие точки на обеденном столе и стеллаже для хранения продуктов, включая совпадения спектральной библиотеки с пиперином (3C), пиперанином, N-изобутил-октадекатриенамидом (три химиката в перце), тангеретином (флавоном, распространенным в цитрусовых), сукралозой (искусственным подсластителем) и кофеином.
Для химических веществ, не имеющих аннотаций спектральной библиотеки, ученые использовали сходство MS/MS, чтобы сделать вывод об их структурном родстве, подобно тому, как неопознанные микробные последовательности филогенетически связаны с известными. Используя инструменты SIRIUS и CANOPUS, ученые предсказали структурные классы для 97% признаков со спектрами MS/MS. Признаки, классифицированные как липиды и органические кислоты (на основе онтологии ClassyFire на уровне суперкласса), в целом были широко распространены по модулям, в то время как органогетероциклические соединения, по-видимому, были более модуль-специфичны (4C и 4D).
Ученые использовали Qemistree для иерархической организации химических характеристик (химическая онтология) на основе молекулярных отпечатков пальцев, предсказанных из спектров MS/MS. PD Фейта, примененный к полученному химическому дереву (т. е. альфа-разнообразию, информированному о химической онтологии), показал, что узел 3 и модули PMM продемонстрировали самое высокое химическое разнообразие. Это согласуется с наблюдением более высокого микробного разнообразия в этих модулях. Соответственно, значительная положительная корреляция между химическим и микробным разнообразием наблюдалась на всех поверхностях МКС.
Для определения аспектов химической вариации, специфичных для модуля, был проведен анализ главных координат (PcoA от principal coordinate analysis) с учетом химической онтологии с взвешенными расстояниями UniFrac. Образцы из узлов 3 и 2 показали различные химические профили по сравнению с другими модулями (4E), при этом шесть химических характеристик внесли значительный вклад в уникальные профили узлов 3 и 2. Большинство из этих характеристик были химически связаны с аммонийными дезинфицирующими средствами/поверхностно-активными веществами. Две характеристики были идентифицированы как алкилдиметилбензиламмониевые дезинфицирующие средства с помощью библиотечной аннотации и стандартного подтверждения, тогда как одна характеристика была идентифицирована как диметилдодециламин N-оксид, известный продукт трансформации диалкилдиметиламмониевых дезинфицирующих средств, присутствующих в дезинфицирующих салфетках, используемых на МКС. Остальные три неаннотированных характеристики были классифицированы ClassyFire как «амины» или «аналоги аминокислот», что указывает на их потенциальные связи с аммонийными дезинфицирующими средствами/поверхностно-активными веществами.
Результаты показали, что дезинфекционная активность в узле 3 значительно повлияла на химические профили на его поверхностях. Соответственно, микробное изобилие и альфа-разнообразие показали положительную корреляцию с интенсивностью сигнала чистящих средств, включая четвертичные аммониевые соединения, производные кокамидопропилбетаина и продукты их трансформации. Несмотря на то, что дезинфекция настоятельно не рекомендуется в течение как минимум 4 дней до взятия проб с поверхности, результаты указывают на сохраняющийся эффект прошлых дезинфекционных мероприятий на поверхностях МКС.
Изображение №5
Понимание микробиоты и метаболома поверхности МКС требует их контекстуализации с другими образцами заселенной среды. Предыдущие исследования показали, что современная городская жизнь значительно снижает воздействие микробов окружающей среды и увеличивает воздействие химикатов, созданных человеком. Мониторинг микробов в помещениях также может дать представление о здоровье жителей, поскольку раннее воздействие микробов, похожих на фермерские, в помещениях было связано со снижением риска детской астмы. Это предполагает, что повторное введение микробов из эволюционного прошлого человека может помочь смягчить хронические воспалительные заболевания.
Чтобы поместить полученные результаты в контекст вышесказанного, ученые объединили данные этого исследования с 9593 образцами ампликона 16S из искусственной среды и 769 образцами из связанных с хозяином и свободноживущих источников окружающей среды из проекта Earth Microbiome Project (EMP). Эти искусственно созданные среды охватывали ряд условий: дома по градиентам урбанизации в Южной Америке и Финляндии, здания, отобранные до и после проживания в них людей, замкнутые пространства для людей, закрытые среды обитания, офисы, строительные материалы для помещений, предыдущие исследования МКС (Microbial Tracking 1 (MT1) и Spacecraft Assembly Facility (SAF)).
Ученые сравнили микробный состав по образцам, расширив анализ бета-разнообразия, описанный выше. Ученые выявили два градиента, тесно совпадающие с первыми двумя главными компонентами в ординации фило-RPCA. Первый главный компонент (PC1) упорядочивает образцы по градиенту PD (PD Фейта), тогда как предыдущее исследование МКС (MT1) имело самое низкое разнообразие (внизу на 5A), охватывая только 3.81% филогенетического дерева в анализе нескольких исследований. Высокое пространственное разрешение имеющихся данных (3DMM) расширило этот показатель до 6.31%. Поверхностные образцы из SAF или аналогов исследований закрытой среды обитания имели схожие низкие показатели, тогда как сельские и городские дома в Южной Америке покрывали от 12.46% до 15.59%, а финские дома покрывали 10.36%–12.23%. Самый высокий PD был обнаружен в свободноживущих наземных средах (28.37%).
Второй градиент (PC2) отражает спектр урбанизации/антропоцентризма, при этом более урбанизированные среды группируются ближе к образцам МКС (слева на 5A). В продольных исследованиях тестового дома и больницы образцы поверхности, собранные после пребывания человека, группировались ближе к образцам МКС, что позволяет предположить, что микробная среда МКС обогащена бактериями, связанными с человеком, которые распространяются в ходе повседневной деятельности в помещении. Застроенные среды вблизи МКС на PC2 включали ограниченные популяции людей или аналоги исследований закрытой среды обитания.
Многоцелевой анализ бета-разнообразия оказался устойчивым к методам фильтрации с высокими корреляциями Мантеля и минимальными различиями в анализе Прокруста. Тесты Манна-Уитни-Уилкоксона нагрузок PC2 в разных средах не показали статистически значимых различий между определенными средами, ранжированными близко друг к другу на градиенте PC2. Хотя парные тесты PERMANOVA расстояний Эйтчисона подтвердили уникальность бактериальных составов в большинстве сред, они также показали, что среды, расположенные проксимально на градиенте PC2, могут быть неразличимы по составу.
В совокупности этот подход неконтролируемой ординации показывает, что МКС представляет собой экстремальную и уникальную созданную среду с ограниченным PD и выраженным микробным составом, связанным с человеком.
Сравнение микробного состава МКС с антропогенной средой Земли выделяет таксоны для преднамеренного внедрения в космические аппараты с целью поддержания земной эквивалентной микробиоты в помещениях. Staphylococcus, доминирующий род на МКС (2B), был также заметен в других антропогенных средах. Логарифмические соотношения, рассчитанные с использованием Staphylococcaceae в качестве знаменателя, показывают отчетливый сдвиг в бактериальном составе вдоль PC2, особенно в таких семействах, как Chitinophagaceae_966727, Paenibacillaceae_367444 и Burkholderiaceae_A_592522. Доминирование Staphylococcaceae над этими семействами уменьшается в антропогенных средах по сравнению с индустриальными (справа на 5A). Отслеживание источников показало, что эти три семейства преимущественно встречаются в незасоленной почве (2D), что позволяет предположить, что введение в окружающую среду незасоленной почвенной матрицы может потенциально изменить микробный состав индустриальных застроенных сред, включая МКС, и привести его в большее соответствие с микробными сообществами, обнаруженными в экологически уязвимых местах обитания.
Данные метаболомики, доступные для сравнения, гораздо более ограничены, но согласуются с результатами по микробиоте. Чтобы изучить сходство метаболитов на МКС с метаболитами из домов на Земле, ученые провели совместную молекулярную сеть образцов МКС с образцами из домов по градиенту урбанизации в Южной Америке. Для молекулярных семейств с общими спектрами между МКС и домами на Земле большинство были либо общими между образцами МКС и образцами городов, либо общими для домов по всему градиенту урбанизации (5B). Молекулярные семейства, общие для всего градиента урбанизации, включают терпеноиды и жирные кислоты. Напротив, молекулярные семейства, уникальные общие для МКС и городов, характеризуются синтетическими химикатами, такими как поверхностно-активные вещества полиэтиленгликоля, дезинфицирующие средства на основе четвертичного аммония и добавки для личной гигиены, такие как кокамидопропилбетаин. Эти результаты еще больше позиционируют МКС как экстремальную среду с доминирующим влиянием человека.
Чтобы расширить обнаружение микробных генов и видов, имеющих отношение к здоровью человека, за пределы разрешения секвенирования 16S, ученые сгенерировали данные метагеномного секвенирования с методом дробовика для всех образцов, прошедших фильтрацию KatharoSeq. Этот набор данных включал 3.7 миллиарда прочтений по 464 образцам, включая контроли после фильтрации по качеству и человеку-хозяину. Примерно 38% необработанных прочтений были отфильтрованы, в основном из-за загрязнения человеком-хозяином, тогда как < 3% были отброшены по качеству. Учитывая повышенную обеспокоенность относительно AMR в космосе, ученые проанализировали прочтения с помощью комплексной базы данных устойчивости к антибиотикам (CARD от Comprehensive Antibiotic Resistance Database).
Изображение №6
Было идентифицировано в общей сложности 1065 генов AMR с медианой 99 генов и 0.20% картированных AMR прочтений на образец. AMR-картированные считывания были согласованы во всех взаимосвязанных модулях, за исключением JLP и JPM (6A), и отрицательно коррелировали с разнообразием 16S альфа. Обнаруженные гены AMR охватывали 22 различных класса, обобщенных с использованием онтологии MEGARes, при этом более половины присутствовали в > 90% образцов поверхности (5B).
Экологический надзор за микробиомом МКС может дать косвенную информацию о здоровье экипажа путем обнаружения микробных геномов, связанных со здоровьем человека. Профилирование метагеномной последовательности с использованием базы данных RefSeq NCBI и анализ с помощью Bowtie2 и Woltka привело к среднему значению 73.70% прочтений образцов поверхности, сопоставленных с эталоном. Геномы с покрытием > 20% были проанализированы для обнаружения человеческих вирусов и исследования потенциальной латентной реактивации вируса. Из 348 видов вирусов человека-хозяина в эталоне только 9 видов превзошли фильтр покрытия генома (5C). К ним относятся вирусы, распространенные среди взрослых и известные своим онкогенным потенциалом, что согласуется с предыдущими сообщениями о распространении человеческого гамма-герпесвируса 4 (вирус Эпштейна-Барр [EBV]) и человеческого альфа-герпесвируса 1 (вирус простого герпеса [HSV]) среди астронавтов во время и после космического полета. Графики глубины покрытия для двух наиболее охваченных вирусных геномов подчеркивают потенциал наблюдения за окружающей средой для мониторинга динамики микроорганизмов и предоставления неинвазивной информации о здоровье экипажа (5D и 5E).
Чтобы охарактеризовать микробиом МКС в помещении без референтных геномов, мы провели de novo ко-сборку и биннинг с Metabat2, идентифицировав 34 высококачественных генома, собранных метагеномом (MAG; > 90% полноты и < 5% загрязнения) из 884 MAG (> 50% полноты и < 10% загрязнения). 884 MAG представляли 8 различных родов. Два вида, Pantoea piersonii (> 90% полноты и < 10% загрязнения) и Moraxella osloensis (> 50% полноты и < 10% загрязнения), были выбраны для дальнейшего анализа. Сравнительный анализ MAG P. piersonii выявил филогенетическую дивергенцию между штаммами МКС и наземными штаммами, а также между штаммами МКС 2020 и 2014–2015 годов, что предполагает бактериальную адаптацию (5H). Профилирование AMR показало, что геномы P. piersonii с МКС содержали самое большое разнообразие AMR, при этом все гены AMR, общие для МКС и геномов земной среды, также присутствовали в клинических условиях (5I). Аналогичным образом, филогенетический анализ MAG M. osloensis показал отчетливую кластеризацию геномов МКС по сравнению с геномами с поверхности Земли (5J). Интересно, что геном изолята M. osleoensis из SAF не кластеризовался филогенетически с геномами, наблюдаемыми на поверхностях МКС, что указывает на то, что геном M. osloensis, извлеченный с поверхностей МКС, вероятно, не был введен во время строительства или сборки компонентов космического корабля.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые провели подробный анализ микробной среды МКС, дабы сравнить ее с земной. В ходе исследования были использованы образцы (мазки с 803 различных поверхностей на МКС). Использовав данные о том где и какие микроорганизмы находились (на какой поверхности, в каком модуле или узле станции и т. д.), ученые создали трехмерную карту распространения микробиома на МКС, что позволило понять взаимодействие микроорганизмов и химических соединений.
Анализ данных показал, что основным источником микробов по всей станции была кожа астронавтов. Чистящие средства и поверхностно-активные вещества присутствовали практически повсеместно на МКС. Была также обнаружена корреляция между целевым назначением модуля (хранение пищи, гигиенические процедуры, сон, эксперименты) и микробным составом.
Дальнейшее сравнение образцов, взятых с поверхностей на МКС, с земными показало, что среда МКС сильно отличается от какой-либо заселенной природной среды Земли, и больше похожа на индустриальную среду (дома в крупных городах, больницы и т. д.).
По сравнению с большинством образцов с Земли, на поверхностях МКС не было свободноживущих экологических микробов, которые обычно встречаются в почве и воде. Исследователи говорят, что намеренное включение этих микробов и субстратов, в которых они живут, в МКС может улучшить здоровье астронавтов, не жертвуя гигиеной.
В будущем ученые намерены расширить возможности своего анализа, чтобы достичь обнаружения потенциально патогенных микробов, а также неинвазивного сбора информации о состоянии здоровья астронавта через данные об микробиоме станции. Полученные данные могут помочь улучшить здоровье людей, проживающих или работающих в средах, чей микробиом похож на таковой на МКС. Как утверждают авторы исследования, их труд важен и для понимания того, что необходимо для поддержания здоровья человека, который будет жить вне планеты Земля. Говоря о колонизации планет или строительстве гигантских космических станций, где будут проживать люди, мы часто забываем о том, что для этого необходимо учитывать не только очевидные потребности (воздух, вода, пища и т. д.), то и микробиомные факторы, так как человек эволюционировал на планете Земля на протяжении тысячи лет параллельно с микроорганизмами, живущими по соседству или буквально на теле человека. Следовательно, в далекое путешествие по покорению Космоса нужно отправлять не только человека, но и его микро-спутников.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
