ほぼ無重力の微重力環境でも、細菌に特異的に感染するウイルスは通常どおり「戦う」ことができます。しかし、宇宙でのウイルスと細菌の戦いは、地球とはまったく異なる進化の軌跡を示します。国際宇宙ステーションで行われた新たな実験では、大腸菌に感染するバクテリオファージは軌道上環境でも依然として感染プロセスを正常に完了できるが、ウイルスと宿主との相互作用は大幅に変化していることが示されており、これは地球上のウイルス治療の将来の改善に重要な手がかりとなる。関連する研究はウィスコンシン大学マディソン校のフィル・ハスのチームが主導し、1月13日にオープンアクセスジャーナルPLOS Biologyに掲載された。

微生物生態系では、ファージと細菌の関係は、進行中の「進化的軍拡競争」として見られることがよくあります。細菌は防御機構を進化させ続けますが、ファージは対抗策を進化させ続けます。このゲームは地球の通常の重力環境で広く研究されていますが、微小重力は細菌自体の生理学的挙動を変化させるだけでなく、ウイルスと宿主細胞の間の物理的接触の頻度にも影響を与え、感染プロセスのリズムと経路を完全に書き換える可能性があります。現時点では、人類は宇宙で展開されるこの「ウイルスと細菌の関係」についてまだほとんどわかっていないため、研究チームは、微小重力がこの微視的な生態系をどのように再形成するかを調べるために対照実験を計画しました。

研究者らは古典的な大腸菌ファージT7を選択し、感染した大腸菌のグループを地上で培養させ、もう一方のグループは国際宇宙ステーションに送って無重力に近い条件下で同時に増殖させた。実験結果は、宇宙ステーション環境においても T7 ファージが大腸菌に感染する可能性はあるものの、感染開始プロセスが大幅に遅いことを示しています。その後の遺伝子配列分析により、宇宙サンプルからのウイルスと細菌の突然変異パターンは地上対照群のものとは明らかに異なり、独自の進化経路を示していることが示されました。

具体的には、軌道環境内の T7 ファージは、多くの特定の遺伝的変化を蓄積しています。これらの変化は、細菌表面の受容体をより効率的に認識して結合するのに役立ち、それによって感染効率を向上させると考えられています。同時に、微小重力環境下の大腸菌でも一連の突然変異が発生した。これらの変化により、ファージ攻撃に抵抗する能力が強化され、無重力に近い状態での生存適応性が向上する可能性があります。このことは、宇宙という極限環境では、ウイルスも細菌も地球とは異なる軌道で適応進化を加速させていることを示しています。

これらの変化の分子基盤をさらに分析するために、研究チームは「ディープミューテーションスキャニング」技術を使用して、T7ファージの受容体結合タンパク質の体系的な分析を実施した。この重要なタンパク質は、ファージが宿主細菌細胞を認識して侵入できるかどうかを直接決定します。そのアミノ酸配列の小さな変化は、感染スペクトルと感染効率に大きな影響を与える可能性があります。深部突然変異スキャンの結果、宇宙ステーションのサンプルと地上のサンプルの間でこのタンパク質に一連の異なる突然変異が存在することが明らかになり、その後、これらの「宇宙関連突然変異」は、異なる細菌株を攻撃するファージの能力を変化させる地球上の実験で確認された。

地上で行われた追跡機能実験では、宇宙環境で形成されたこれらの変異を保有するT7ファージが、ヒトの尿路感染症を引き起こす特定の大腸菌株に対してより強力な殺傷効果を示したことが示された。これらの標的株は、もともと通常の T7 ファージに対して自然に耐性がありましたが、「宇宙進化」ファージに対してはより脆弱になりました。この発見は、宇宙環境によって引き起こされる特別な進化的変化が、特に治療が難しい薬剤耐性病原体への対処において、ファージ療法の新たな応用方向を切り開く可能性があることを示唆している。

この研究では、国際宇宙ステーションでファージ関連の実験を実施することは、将来の長期有人宇宙飛行や宇宙ステーションの健康管理にとって直接的な意味があるだけでなく、地上での感染症治療のための新しいアイデアとツールのライブラリーを提供することを指摘した。地球の研究室で行われる従来の進化実験と比較すると、宇宙の微重力環境では、ウイルスや細菌が体系的に異なる適応経路を歩むよう強制されるため、従来の条件下では観察が困難な生物学的メカニズムや標的が明らかになります。著者らは論文の中で、宇宙ではファージと細菌の相互作用が根本的に変化する、つまり感染プロセスが遅くなり、両者の進化の軌跡が地球上とは完全に異なると結論づけた。

これらの宇宙主導の適応を分析することで、研究者らはウイルスと細菌の共進化について新たな洞察を得ただけでなく、地球上の薬剤耐性病原体に対して「著しく高い活性」を持つファージ候補を操作することもできた。この成果は、宇宙を「自然進化実験室」として利用する可能性を実証するとともに、将来的には宇宙実験を地上工学技術と組み合わせて、世界中でますます深刻化する薬剤耐性菌の脅威に対処するための、正確で効率的な新世代のファージ治療法の開発を加速できることを示している。

/ScitechDaily から編集