Bakterie z kosmicznej toalety są już na Ziemi. Zbadają je Polacy

Próbki mikrobiomu z misji IGNIS przeszły drogę od ISS przez ocean i USA do Warszawy. Teraz naukowcy szykują się do najważniejszych analiz.

Biliony bakterii, grzybów i innych drobnoustrojów, które razem tworzą mikrobiom jelitowy astronautów misji IGNIS, mają za sobą dłuższą podróż niż niejeden kosmonauta. Z toalet na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, przez kapsułę Dragon i kilka amerykańskich miast, trafiły w końcu do laboratorium w Warszawie. Teraz, gdy materiał jest bezpieczny w zamrażarkach, zaczyna się najbardziej wymagający etap – odczytywanie z mikrobiomu historii stresu, przeciążeń i życia na orbicie.

Kosmiczni pasażerowie na gapę

Latem na pokładzie stacji orbitalnej pracowała załoga misji AX-4, w której znalazł się m.in. Sławosz Uznański-Wiśniewski. Do kapsuły wynoszącej ich na orbitę polecieli jednak nie sami. Razem z nimi w górę ruszyły biliony mieszkańców ich jelit. To właśnie te niewidoczne gołym okiem organizmy są bohaterami eksperymentu Human Gut Microbiota, jednego z kilkunastu projektów w ramach polskiej misji IGNIS.

Mikrobiom jelitowy to cały ekosystem bakterii, grzybów i archeonów zamieszkujących przewód pokarmowy człowieka. Na Ziemi, u zdrowej osoby, jego skład jest zwykle względnie stabilny – o ile nie wkraczają do gry antybiotyki albo radykalna zmiana diety. W kosmosie dochodzi coś jeszcze: skrajny stres, ciasna przestrzeń, zmienione odżywianie, mikrograwitacja. Jak czytamy na łamach Nauka w Polsce, badaczki z Wojskowej Akademii Technicznej chcą sprawdzić, czy ten ekosystem jest tak odporny, jak wydaje się z perspektywy gabinetu lekarskiego.

Celem eksperymentu jest nie tylko opisanie chwilowych wahań, ale przede wszystkim zobaczenie całej ścieżki zmian: od miesięcy poprzedzających lot, przez kwarantannę, pobyt na orbicie, aż po powrót na Ziemię i powolne dochodzenie do siebie.

Bakterie jako wykrywacz stresu

Zespół kierowany przez specjalistki z WAT interesuje przede wszystkim to, jak mikrobiom reaguje na obciążenia misji. Dla organizmu astronauty start rakiety, praca w zamkniętym środowisku stacji i powrót w atmosferę to ciąg sytuacji granicznych, choćby jeżeli na twarzy widać tylko spokojny uśmiech.

Z punktu widzenia biologii stres to zmiana całej chemii organizmu: hormonów, odporności, procesów zapalnych. Mikrobiom jest na tę chemię bardzo wrażliwy. Część bakterii potrafi wytwarzać związki łagodzące stany zapalne, inne odwrotnie – sprzyja ich podtrzymywaniu. jeżeli skład tej społeczności przesunie się w złą stronę, organizm gorzej znosi przeciążenia, trudniej regeneruje się po wysiłku, może być bardziej podatny na infekcje.

Naukowcy są przekonani, iż w przypadku astronautów wiedza o kondycji mikrobiomu powinna być tak samo rutynowa jak badania krwi. Silny, zdrowy ekosystem bakteryjny staje się po prostu jednym z elementów wyposażenia załogi, który pomaga przetrwać misję.

Najtrudniejsza rzecz? Zwykła próbka kału

Eksperyment teoretycznie wygląda bardzo prosto. Trzeba przecież tylko pobrać materiał od badanych osób i porównać skład mikrobiomu przed, w trakcie i po misji. Rzeczywistość okazała się dużo bardziej wymagająca.

Próbki od dwójki astronautów zbierano na wielu etapach. Trzy miesiące przed lotem, dwukrotnie w czasie kwarantanny przedstartowej, trzy razy na pokładzie ISS i jeszcze dwa razy po powrocie na Ziemię. Każdy taki punkt czasowy to osobny kadr w filmie, który pokazuje, jak zmienia się ekosystem jelit w kolejnych fazach wyprawy.

Ważny był jednak zegar. W świecie mikroorganizmów 20 min to bardzo długo. Badane np. Escherichia coli potrafią w tym czasie podwoić swoją liczbę. Gdyby próbka czekała zbyt długo na zamrożenie, gwałtownie mnożące się gatunki zaburzyłyby rzeczywiste proporcje, które są sednem analizy. Z tego powodu materiał musiał trafić do zamrażarki w czasie krótszym niż 20 min od pobrania.

Na Ziemi oznaczałoby to po prostu szybki marsz do laboratorium. Na stacji kosmicznej jest to przepłynięcie przez moduły ISS w warunkach mikrograwitacji, przy ciągłej kontroli czasu. Astronauci poradzili sobie z tym zadaniem, notując moment pobrania i umieszczenia próbek w mrozie. Udało się zmieścić w 19-20 min, czyli na granicy wymagań eksperymentu.

To był istny logistyczny thriller

Drugim wyzwaniem okazała się podróż powrotna. Próbki mikrobiomu musiały przez cały czas pozostawać w temperaturze od -60 do -80 stopni Celsjusza, a tzw. łańcuch chłodniczy (czyli nieprzerwany ciąg kontrolowanego mrozu) nie mógł zostać ani razu przerwany. Maksymalny czas przechowywania ustalono na 8 mies.

Po odcumowaniu od stacji materiał poleciał na Ziemię w kapsule Dragon, która wodowała w oceanie. Stamtąd próbki trafiły do helikoptera, następnie przez San Diego i Houston powędrowały dalej, aż dotarły do Nowego Jorku, a później do Warszawy. Tam, gdzie nie było odpowiednich zamrażarek, kurierzy ratowali sytuację suchym lodem, uzupełniając go choćby w dni wolne, tak aby temperatura nie wyszła poza dozwolony zakres.

W efekcie eksperyment Human Gut Microbiota jest jednym z nielicznych projektów misji IGNIS, których materiał badawczy już znajduje się na Ziemi. w tej chwili próbki przechowywane są w Centrum Inżynierii Biomedycznej w Instytucie Optoelektroniki WAT, gdzie czekają na pełne analizy.

Papierologia jest choćby w kosmosie

Choć sam materiał jest już bezpieczny w laboratorium, naukowców wciąż hamują procedury. Opóźnienie lotu sprawiło, iż w czasie kwarantanny przedstartowej udało się pobrać więcej próbek, niż zakładano na początku. Z naukowego punktu widzenia to świetna wiadomość, bo są to przecież dodatkowe punkty odniesienia, które pozwolą precyzyjniej zobaczyć, jak mikrobiom reaguje na narastający stres przed misją.

Problem jednak w tym, iż te dodatkowe pobrania nie były ujęte w pierwotnych zgodach komisji bioetycznych. Zespół musiał więc ponownie zwrócić się o akceptację do europejskiej agencji kosmicznej, amerykańskiej agencji odpowiedzialnej za lot, a także samych astronautów. Dopiero po otrzymaniu wszystkich podpisów będzie można w pełni włączyć te próbki do analiz.

Na razie realizowane są eksperymenty testowe na wybranych próbkach. Służą one dopracowaniu metod sekwencjonowania i przygotowania materiału tak, by adekwatne badanie przebiegło możliwie sprawnie. o ile procedury nie opóźnią prac, pierwszych wyników można spodziewać się latem.

Małe próbki, wielkie plany

Eksperyment obejmuje zaledwie dwoje astronautów, ale jego twórczynie nie mają wątpliwości, iż każdy taki zestaw danych ma ogromną wartość. W perspektywie długotrwałych misji, budowy stacji na Księżycu czy planów załogowego lotu na Marsa to właśnie mikrobiom może okazać się jednym z ważniejszych ograniczeń lub sprzymierzeńców człowieka.

Jeżeli okaże się, iż długotrwały stres i kosmiczne środowisko trwale rozstrajają ekosystem jelit, konieczne będzie opracowanie sposobów jego ochrony – od indywidualnie dobranych diet po probiotyczne interwencje przed startem. jeżeli natomiast mikrobiom okaże się odporny, będzie to ważna informacja przy projektowaniu przyszłych misji i selekcji załóg.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI