9 دقیقه
ریزاندامگان در مدار رفتاری متفاوت نشان میدهند. آزمایشهای تازه در ایستگاه فضایی بینالمللی نشان میدهد که باکتریوفاژها — ویروسهایی که باکتریها را آلوده میکنند — و میزبانهای باکتریاییشان در شرایط ریزگرانش مسیرهای تکاملی متفاوتی را طی میکنند؛ تغییراتی که میتواند به توسعه روشهای موثرتر برای مقابله با عفونتهای مقاوم به آنتیبیوتیک روی زمین کمک کند.
یک فاج روی سطح یک سلول میزبان قرار گرفته است.
چرا زیستشناسی در ریزگرانش اهمیت دارد
تصور کنید یک مسابقه تسلیحاتی تکاملی داخل یک محفظه بسته در ایستگاه فضایی بینالمللی در جریان است. همین چیزی است که محققان دانشگاه ویسکانسین-مادیسون و شرکت بیوتکنولوژی Rhodium Scientific در سال 2020 اجرا کردند: جمعیتی مختلط از باکتری Escherichia coli و شکارگر ویروسی آن، باکتریوفاژ T7، به مدار فرستاده شد. آزمایشهای مشابه بهطور موازی روی زمین نیز به مدت 25 روز اجرا شدند تا دانشمندان بتوانند بهطور مستقیم تأثیر بیوزنی یا ریزگرانش (microgravity / ریزگرانش) را بر تکامل میکروبی بررسی کنند.
اهمیت این نوع مطالعات در این نکته نهفته است که ریزگرانش بهعنوان یک فشار انتخابی فیزیکیِ غیرمعمول میتواند مسیرهای تکاملی و تعاملهای مولکولی را آشکار کند که در شرایط زمینی پنهان میمانند. برای پژوهشگران حوزه زیستفناوری، زیستشناسی فضایی و توسعه روشهای درمانی نوین (مثل فاجتراپی یا درمان با باکتریوفاژ)، این یافتهها منبعی ارزشمند از دادههای تکاملی و مکانیزمهای عملکردی فراهم میآورند.
چگونه آزمایش اجرا شد
در ایستگاه فضایی، فضانوردان ترکیبهای مختلفی از باکتریها و فاجها را تحت شرایط کنترلشده کشت و نگه داشتند. در موازات آن، تیمی به سرپرستی زیستشیمیدان واتسان رامان در مادیسون، پروتکلها را روی زمین تکرار کرد تا بتوان تفاوتهای ناشی از محیط را به دقت مقایسه کرد.
محققان با توالییابی ژنومی و پیگیری دینامیک عفونت، قادر شدند موتاسیونهایی را که در میکروبهای رشد کرده در فضا ظاهر شدهاند شناسایی کنند و بررسی کنند که این تغییرات هنگام بازگرداندن نمونهها به زمین چگونه روی نرخهای عفونت و کشندگی تأثیر گذاشتهاند. آنالیزهای ژنتیکی شامل شناسایی جهشها در ژنهای پاسخ به استرس، مسیرهای جذب مواد مغذی، پروتئینهای سطحی و ژنهای اختصاصی فاجها مانند پروتئینهای اتصال گیرنده (receptor-binding proteins) بوده است.
از دیدگاه متدولوژیک، این پروژه ترکیب چندین رویکرد را شامل میشد: طراحی آزمایش کنترلشده، نگهداری نمونه در شرایط پایدار در مدار، توالییابی عمیق ژنوم (deep sequencing)، ردیابی دینامیک جمعیت باکتری و فاج با روشهای کمی و کیفی، و آزمونهای کارآیی فاجهای تکاملیافته بر علیه سویههای مقاوم در آزمایشگاههای روی زمین.
تغییرات ژنتیکی شگفتانگیز و آسیبپذیریهای نوظهور
محیط فضایی باعث کند شدن عفونتهای اولیه شد و هر دو ارگانیسم را به مسیرهای تکاملی هدایت کرد که در نمونههای زمینی مشاهده نشد. E. coli با جهش در ژنهایی که به پاسخ به استرس، جذب مواد مغذی و تغییر پروتئینهای سطحی مرتبط هستند وفق پیدا کرد — همین پروتئینهای سطحی گیرندههایی هستند که فاجها به آنها متصل میشوند.
پس از شروعی با تأخیر، فاجهای T7 جهشهای جدیدی کسب کردند که توانایی آنها را در شناسایی و اتصال به سطوح باکتریایی تغییر یافته بازسازی کرد. این تعامل متقابل — تغییر در گیرندههای باکتریایی و سپس تطبیق فاج از طریق جهشهای در RBP یا مناطق دیگر در ژنوم فاج — نمونهای از مسابقه تسلیحاتی تکاملی است که در محیطهای تغییر یافته شدت مییابد.
نکته حیاتی این است که چندین جهش فاج که در ریزگرانش پدید آمدند، در نابودی سویههای مقاوم به آنتیبیوتیک که موجب عفونتهای دستگاه ادراری (UTI) میشوند، بهطور استثنایی مؤثر بودند. در برخی محیطها بیش از 90٪ سویههای عامل UTI مقاومت نسبت به آنتیبیوتیکهای استاندارد نشان میدهند؛ از این رو فاجتراپی (phage therapy / درمان باکتریوفاژ) بهعنوان جایگزین یا مکمل داروهای سنتی بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته است.
این یافتهها همچنین نشان میدهد که ریزگرانش میتواند مسیرهای مولکولی جدیدی را آشکار کند که در طراحی فاجهای هدفمند یا مهندسیشده برای نابودی سویههای مقاوم مفید خواهند بود. بهعبارت دیگر، جهشهای بهدستآمده در مدار میتوانند بهعنوان الگویی برای طراحی آزمایشگاهی فاجهایی با دامنه میزبانی گستردهتر یا اختصاصیتر عمل کنند.
این چه معنایی برای فاجتراپی و مقاومت آنتیبیوتیکی دارد
محققان میگویند: «فضا اساساً نحوه تعامل فاجها و باکتریها را تغییر میدهد.» تطابقهای ناشی از محیط فضایی بینشهای زیستیای فراهم آوردهاند که برای مهندسی فاجها با فعالیت بهتر علیه پاتوژنهای مقاوم در زمین کاربردی است. در عمل، این بدان معناست که جهشهایی که در مدار مشاهده شدهاند میتوانند راهنمای طراحی درمانهای فاجی در آزمایشگاه برای سویههای مقاوم خاص باشند.
علاوه بر کاربرد در درمان عفونتهای ادراری، این نتایج ارزش مطالعه تکامل تحت شرایط فیزیکی غیرمعمول را نشان میدهد. ریزگرانش بهعنوان یک فشار انتخابی منحصر بهفرد میتواند مسیرهای ژنتیکی و تعاملات مولکولی را نمایان سازد که در آزمایشهای زمینی پنهان باقی میمانند. برای پژوهشگرانی که روی نسل بعدی ضد میکروبیها کار میکنند، این یک جعبهابزار نویدبخش فراهم میکند.
از لحاظ بالینی و توسعه دارو، کاربرد عملی این یافتهها در سه سطح قابل بررسی است:
- کشف و انتخاب فاجهای مؤثر: استفاده از جهشهای فاجهای تکاملیافته در مدار بهعنوان الگو برای انتخاب و مهندسی فاجهایی با کارآیی بالا علیه سویههای مقاوم.
- ایمنی و دامنه عملکرد: ارزیابی اینکه آیا تغییرات ایجادشده در فاجها سبب افزایش دامنه میزبانی (host range) یا تغییرات ناخواسته در بازده تولید مثل فاج میشود؛ این ارزیابیها برای بیخطرسازی و تعیین استانداردهای تولید حیاتی است.
- طراحی ترکیبی درمانی: ادغام فاجتراپی با آنتیبیوتیکها یا سایر مؤلفههای درمانی برای کاهش ظهور مقاومت و افزایش احتمال پاکسازی عفونتها.
همچنین لازم است به چالشهای مقرراتی و اخلاقی فاجتراپی توجه شود؛ از جمله کنترل کیفیت، استانداردسازی روش تولید و تستهای بالینی دقیق که باید پیش از استفاده گسترده روی انسان انجام شوند.
چشمانداز آینده: فاجهای هدفمند و زیستشناسی فضایی
کارهای پیگیری قصد دارند مکانیسمهای پشت قدرتمندترین واریانتهای فاجهای تکاملیافته در فضا را مشخص کنند و ایمنی و کارآیی آنها را در مدلهای پیشبالینی آزمایش کنند. این مطالعات شامل آنالیز دقیق ساختار پروتئینهای اتصال فاج (RBP)، شناسایی جهشهای کلیدی در ژنوم فاج و بررسی تعامل آنها با گیرندههای باکتریایی تغییریافته خواهد بود.
برای پیشرفت فاجتراپی مبتنی بر یافتههای فضایی، چند گام کلیدی مورد نیاز است:
- شناسایی و اعتبارسنجی جهشهای مفید: تعیین اینکه کدام جهشها موجب افزایش تهاجمی یا تغییر دامنه میشوند و چه مکانیسمهایی در این کار دخیلاند.
- مهندسی فاج مبتنی بر دانشی که از ریزگرانش بهدست آمده: استفاده از ویرایش ژنتیکی دقیق برای بازتولید جهشهای مفید در فاجهای دیگر یا اصلاح F-specific domains برای افزایش پایداری و ایمنی.
- مطالعات توأم با آنتیبیوتیک: آزمایش ترکیب فاجهای مهندسیشده با داروهای موجود برای کاهش بار مقاومت و ارزیابی تعاملات سینرژیک یا آنتاگونیک.
- مسائل تولید و تنظیم: توسعه روشهای تولید انبوه، پاکسازی و کنترل کیفیت برای فاجتراپی مطابق با استانداردهای GMP و مقررات دارویی.
این تحقیق نکته کلیتری را هم برجسته میسازد: زیستشناسی فضایی تنها به سلامت فضانوردان مربوط نمیشود؛ بلکه میتواند کشف راهحلهای نو برای مسائل فوری بهداشت عمومی مانند مقاومت آنتیبیوتیکی را تسریع کند. ترکیب دادههای تکاملی بهدستآمده در مدار با مهندسی مولکولی و مطالعات پیشبالینی ممکن است مسیر جدیدی برای توسعه درمانهای هدفمند ارائه دهد.
در ادامه تحقیقات، انتظار میرود تمرکز روی چند حوزه کلیدی افزایش یابد: درک بهتر اثرات هیدرودینامیکی و انتشار مولکولی در ریزگرانش که بر سرعت و اثربخشی تماس بین فاج و میزبان تأثیر میگذارد؛ تحلیل تغییرات بیان ژنی در باکتریهای میزبان تحت ریزگرانش؛ و توسعه روشهایی برای شبیهسازی این شرایط در آزمایشگاههای زمینی برای افزایش بازتولیدپذیری یافتهها.
به عنوان مثال، کاهش کانوکسیون مایع در شرایط ریزگرانش میتواند توزیع ذرات، انتشار مولکولها و تشکیل نانو-میکرومحیطهایی را تغییر دهد که در نهایت بر نرخ برخورد فاج و گیرندههای سطحی باکتری تأثیر میگذارد. این تغییراتِ فیزیکی ممکن است فشار انتخابی متفاوتی ایجاد کند که مسیرهای تکاملی جدیدی را تشویق کند — مسیری که در زمین کمتر محتمل است.
از منظر صنعتی و پژوهشی، همکاری میان مؤسسات آکادمیک، شرکتهای بیوتکنولوژی و نهادهای فضایی ضرورت دارد تا یافتهها از فاز کشف به فاز توسعه بالینی منتقل شوند. ایجاد بانکهای فاج مبتنی بر ویژگیهای ژنتیکی، مسیرهای تولید استاندارد و چارچوبهای مقرراتی بینالمللی برای آزمایشها و تولید فاج میتواند این روند را تسریع کند.
در نهایت، مطالعه تعاملات میزبان-فاج در ریزگرانش نمونهای روشن از این است که چگونه محیط میتواند مسیر تکاملی میکروارگانیسمها را شکل دهد و فرصتهایی برای نوآوری در درمانهای ضد میکروبی فراهم کند. تلفیق زیستشناسی تکاملی، مهندسی ژنتیک و علم مواد در محیطهای فضایی میتواند به تولید نسل جدیدی از درمانها منجر شود که برای مقابله با بحران جهانی مقاومت آنتیبیوتیکی ضروری هستند.
نکات کلیدی و توصیهها برای پژوهشهای آینده:
- گسترش توالییابی بلندمدت و متناوب برای ردیابی مسیرهای تکاملی دقیقتر.
- توسعه مدلهای شبیهسازی ریزگرانش در زمین برای جبران محدودیتهای دسترسی به فضا.
- ترکیب آنالیز ساختاری و بیوفیزیکی برای درک بهتر چگونگی تغییر اتصال فاج به گیرندههای باکتریایی.
- آغاز مطالعات پیشبالینی استاندارد برای ارزیابی ایمنی و اثربخشی فاجهای مهندسیشده بر مبنای دادههای فضایی.
این حوزه پژوهشی نشان میدهد که زیستشناسی فضایی میتواند نهتنها برای سلامت فضانوردان، بلکه بهطور مستقیم برای سلامت عمومی جهان مفید باشد و افقهای تازهای در درمان عفونتهای مقاوم به آنتیبیوتیک بگشاید.
منبع: scitechdaily
نظرات
نووا_ای
آیندهنگرانه ولی اغراق آمیز هم هست؛ تا وقتی تستهای پیشبالینی و استانداردسازی نباشه، ادعاها زودهنگه، با این حال انگیزهبخشه.
کوینت
قابل توجهه که جهشهای مدار میتونن الگو بدن برای مهندسی فاج، اما مسیر تولید، ایمنی و مقررات خیلی پیچیدهان، نباید عجله کرد.
آسمانگرد
تو آزمایشگاه هم دیدم وقتی جریان سیال تغییر میکنه، برخوردها و تکامل فرق میکنه، بنابراین نتایج فضایی منطقیه، ولی باز باید محتاط بود
مهران
این که جهشها تو مدار به سادگی قابل انتقال به فاجهای درمانی روی زمینن یا نه؟ سوال مهمی که جواب مشخص نمیده، کسی میدونه؟
دیتاپالس
معقول میرسه، ریزگرانش یه فشار انتخابی جالبه. ولی به نظرم باید تکرار و کنترلهای بیشتری باشه تا مطمئن بشیم.
لابکور
وای، فکرش رو نمیکردم فضا انقدر روی تکامل باکتریوفاژها تاثیر بذاره! اگه واقعی باشه، کلی ایده برا فاجتراپی داریم...
ارسال نظر