Перенос плазмидной ДНК при конъюгации в условиях космического полета (ПЛАЗМИДА)
Постановщик: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Государственный научный центр Российской Федерации - Институт медико-биологических проблем Российской академии наук.
Научный руководитель КЭ: д. м.н., профессор
Экспедиции: КЭ завершен.
Область исследования: Космическая биология.
Краткое описание эксперимента
Известно, что в условиях космического полета чувствительность микрофлоры космонавтов к антибиотикам претерпевает существенные изменения. Это выражается в формировании штаммов с признаками госпитализма. Одной из отличительных черт таких штаммов является устойчивость ко многим антибиотикам. Распространяясь среди членов экипажа, эти штаммы могут способствовать снижению эффекта применения антибиотиков в случае оказания медицинской помощи космонавтам. Предполагается, что основной механизм формирования штаммов с признаками госпитализма связан с рекомбинациями плазмид (молекул ДНК кодирующих различные свойства бактерий, в т. ч. патогенность и антибиотикорезистентность, существующих, множащихся и распространяющихся независимо от хромосомы), которые определяются как частотой самостоятельной передачи плазмид, так и возможностью их мобилизации другими генетическими факторами. Плазмиды накапливают детерминанты резистентности к антибиотикам при взаимодействии с представителями нормальной микрофлоры, в составе которой присутствуют те или иные детерминанты антибиотикорезистентности. Это обстоятельство является потенциально опасным в силу того, что образующиеся в обитаемых гермообъектах, в том числе на орбитальной космической станции, полирезистентные штаммы условно патогенных микроорганизмов являются своеобразным депо для плазмид множественной лекарственной устойчивости, и употребление антибиотиков может вызвать их селективный рост. Между тем известно, что измененные факторы среды обитания (газовый состав, давление и т. д.) оказывают существенное влияние на перенос R-плазмид. Предполагается, что основной механизм формирования полирезистентных штаммов связан с рекомбинациями плазмид, которые определяются как частотой передачи конъюгативных плазмид, так и возможностью мобилизации конъюгативными плазмидами неконъюгативных в измененной среде.
В качестве донора и реципиента были использованы штаммы Bacillus turingiensis: Bacillus thuringiensis GBJ085 (донор) x Bacillus thuringiensis 4Q7 (реципиент). Донор содержал плазмиду резистентности к тетрациклину, а также ассоциированный с хромосомой ген устойчивости к налидиксовой кислоте. Реципиент был устойчив к стрептомицину.
При проведении эксперимента на борту МКС использовалась аппаратура
«Рекомб-К» (рис.), с помощью которой осуществляется переливание жидких культур донора и реципиента и смешение их для конъюгации.
Рисунок. Внешний вид аппаратуры «Рекомб-К».
Использование результатов эксперимента на Земле
Результаты исследований могут быть использованы при комплексном изучении влияния экстремальных факторов измененной среды обитания на формирование антибиоткорезистентности у возбудителей инфекций.
Использование результатов эксперимента для освоения космоса
Предполагается использовать плазмиды микроорганизмов в качестве биоиндикаторов, определяющих уровень влияния факторов космического полета на микробное сообщество в части, касающейся оценки риска роста потенциала патогенности микрофлоры человека и среды обитания. Так, в полетах разной длительности и радиуса частота переноса плазмид может быть различной, соответственно, различным может быть риск формирования у космонавтов штаммов с признаками госпитализма.
Результаты
Результаты проведенных исследований свидетельствуют о подавлении частоты переноса плазмид у грамотрицательных микроорганизмов. Особенно это выражено для мобилизации бактериальных генов, где различие в продукции трансконъюгантов в 1000 раз меньше, чем в контроле. Условия предварительной адаптации штаммов доноров и реципиентов к условиям космического полета содействовали угнетению частоты конъюгационного переноса и не повлияли на частоту мобилизации плазмид, в обоих случаях остававшейся весьма низкой.
Грамотрицательные микроорганизмы продемонстрировали увеличение частоты переноса плазмид при конъюгации в полете, а также увеличение мобилизационной активности плазмид на Земле у штаммов, адаптированных к условиям космического полета.
Что касается стабильности плазмид, то «летные» плазмиды оказались значительно стабильнее контрольных. Увеличение среднего количества детерминант резистентности к антибиотикам на штамм наблюдалось практически во всех группах. Наиболее отчетливо это было отмечено для мобилизации штаммов, адаптированных к космическим условиям, когда конъюгация проводилась на Земле. Указанное обстоятельство свидетельствует в пользу того, что в условиях космического полета существует риск формирования штаммов с признаками госпитализма, несмотря на снижение частоты переноса плазмид у некоторых групп микроорганизмов в условиях космического полета.
Исследования подтвердили возможность использования частоты передачи плазмид как биоиндикатора, показывающего состояние микробных сообществ в измененных условиях обитания. По результатам проведенных исследований создается математическая модель влияния гравитации на процессы конъюгации и как следствие, на формирование штаммов с признаками госпитализма. Полученные результаты будут иметь большое теоретическое значение для всех областей гравитационной биологии, в том числе для фундаментальных исследований в области физиологии и медицины».
Публикации
Статьи в сборниках
P. DeBoever, D. Hanus, G. Van der Auvera, Ilyin V. et al Conjugation-mediated plasmid exchange between bacteria grown under space conditions Z-Tec Publishing, Bremen Microgravity Sci Tecnol. XIX-5/6 (2007), 138-144.
Статьи, опубликованные в реферируемых журналах
Voeikova T. A., Emelyanova L. K., Ilyin V., Starkova L. V., et al. Specificities of plasmid and chromosomal DNA exchange in microorganisms under the conditions of spaceflight. Journal of Gravitational physiology 2010, 17, 14-18.
Доклады на российских и международных конгрессах, конференциях, симпозиумах:
Voeikova T. A., Emelyanova L. K., Starkova L. V., MorozovaY. A., Ilyin V. K. Specificities of plasmid and chromosomal DNA exchange in microorganisms under conditions of space flight Life in Space for life on Earth; Italy; Trieste; 2010;13-18 June.
