Překvapivý vývoj vesmírných virů: Jak prostředí mikrogravitace mění bakteriální a virovou evoluci?

2.3.2026 | Václav Peroutka

V tomto příspěvku se tématicky vracíme do roku 2023, kdy jsme se ve speciálním čísle bulletinu Svět Biotechnologií věnovali kosmickým biotechnologiím. Tehdy jsme podávali zprávu především o výzkumných a aplikačních aspektech tohoto odvětví, které přispívají k rozvoji šlechtitelství a zemědělství. Začátkem tohoto roku však byla publikována práce zabývající se jiným, avšak souvisejícím tématem, a to evolucí bakterií a virů ve vesmírném prostředí.

Jak pravděpodobně tušíte, bakterie a viry, které je infikují, jsou odjakživa zapojeny do lítého evolučního souboje. Experiment provedený na Mezinárodní vesmírné stanici naznačuje, že mikrogravitace může průběh a výsledek tohoto souboje do určité míry pozměňovat. Pomocí bakteriofága T7 a jeho hostitele, bakterie Escherichia coli, vědci popsali, že infekce na oběžné dráze začíná pomalu, ale nakonec je úspěšná, přičemž oba organismy akumulují mutace, ke kterým na Zemi dochází jen stěží. Některé „vesmírně selektované“ změny fágu dokonce pomohly T7 napadnout kmeny E. coli, které jsou normálně vůči tomuto viru odolné.

Beztížný stav mění fyzické prostředí, ve kterém mikroorganismy interagují. Na Zemi pomáhá gravitační konvekce a sedimentace s mícháním media, ve kterém se fágy a bakterie nachází, což zvyšuje frekvenci jejich kontaktu a přispívá k redistribuci živin a odpadních látek. V mikrogravitaci míchání téměř zmizí a bakterie mohou měnit svou fyziologii, metabolismus, reakce na stres a vnější membránu, na kterou se fágy váží. Malé změny v kolizích nebo v expozici receptorů se proto mohou projevit v celém infekčním cyklu.

Pro izolaci těchto účinků připravil tým vědců identické uzavřené kultury nehybných bakterií E. coli a fágů T7; jednu sadu inkuboval na oběžné dráze a druhou na Zemi za stejných podmínek. Na Zemi počet fágů prudce vzrostl a počet bakterií klesl během dvou až čtyř hodin. V mikrogravitaci byla tvorba fágů zpomalena: po jedné, dvou ani čtyřech hodinách nebyl zaznamenán žádný nárůst. Po 23 dnech však množství fágů vzrostlo o několik řádů, což dokazuje, že k produktivní infekci došlo, ale jen v mnohem pomalejším časovém horizontu.

Tato dlouhá inkubace poskytla dostatek prostoru pro koevoluci. Sekvenování genomu 23denních vzorků odhalilo mnoho nových mutací jak u fágů, tak u bakterií. U fágů se změny rozšířily po celém genomu, přičemž obzvláště velké změny byly zaznamenány u genů strukturních proteinů fágového krčku, které se do značné míry podílejí na adhezi k bakteriální buňce a přenosu DNA. V případě bakterií byly mutace mnohem častější v přítomnosti fágů než při samostatném růstu bakterií, což podtrhuje, jak silně predace ovlivňovala evoluci i na oběžné dráze. Mnoho sledovaných bakteriálních změn zapříčinilo ovlivnění vnější membrány a cest spojených se stresovou reakcí a metabolismem, ovlivněny byly mimo jiné geny spojené s povrchovými lipopolysacharidy podílejícími se na připojení fágu.

Aby se výzkumníci mohli podrobněji zaměřit na interakci a adaptaci fága s hostitelem, použili hloubkové mutační skenování a otestovali 1 660 variant jednotlivých aminokyselin ve špičce receptoru vázajícího protein T7. Mutace, které dosáhly nejlepších výsledků v mikrogravitaci, se výrazně lišily od vítězů na Zemi, což naznačuje, že se na oběžné dráze změnila jak struktura bakteriálních receptorů, tak selekční tlak na fágy. Mikrogravitace nejen zpomalila infekci, ale také posunula fágy a bakterie na jinou evoluční cestu.

Největším překvapením bylo, když tým použil stejné změny pro řízený vývoj fágů. Vytvořili kombinatorickou knihovnu, ve které smíchali nejlepší substituce vybrané ve vesmíru v části vázající se na receptor, a výsledné fágy otestovali na dvou klinických kmenech E. coli spojených s infekcemi močových cest, kmenech v pozemských testech odolných vůči divokému typu T7. Fágy úspěšně infikovaly i tyto odolné kmeny, zatímco zástupci fágů izolovaní na Zemi nepřekonali divoký typ T7.

Stejně jako mnoho podobných experimentů v kosmu, i tento čelil praktickým omezením, včetně manipulace s mražením a rozmrazováním a zaměřením na jediný laboratorní kmen E. coli, který byl vybrán za účelem snížení rušivých vlivů motility. Budoucí studie, které budou zahrnovat více časových bodů, hostitelů a komplexnějších mikrobiálních společenstev, by měly pomoci ještě lépe objasnit dynamiku infekce a adaptace a nejdůležitější mechanismy, které je ovlivňují.

Tyto poznatky ukazují dva slibné směry. V případě kosmických letů by pochopení toho, jak se mikroby a jejich viry přizpůsobují, mohlo pomoci při zvládání biofilmů a infekcí v uzavřených prostředích. Na Zemi může mikrogravitace působit jako neobvyklá „evoluční čočka“, která odhaluje alternativní molekulární řešení pro virální přichycení a rozsah hostitelů – poznatky, které by mohly umožnit, či urychlit vývoj fágů zaměřených specificky na bakteriální patogeny odolné vůči antibiotikům. Vzhledem k tomu, že vesmír se stává dostupnější laboratoří, může evoluce podle neznámých fyzikálních pravidel přinést mnoho praktických nástrojů zpět na Zemi.

Zdroje: