国际空间站（ISS）是一个封闭生态系统，其内部的生物——包括微生物居民——在地球家园的行为方式并不完全相同。
为深入理解微生物在太空中的差异性表现，威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员在国际空间站和地球相同环境下，对噬菌体（即感染细菌的病毒）进行了对照研究。该成果近期发表于《PLOS Biology》期刊，研究表明微重力环境会延缓感染过程、重塑噬菌体与细菌的进化路径，甚至揭示出可能提升地球抗病细菌治疗效果的基因组合。
"在太空研究噬菌体-细菌系统不仅是天体生物学的好奇心，更是理解航天器内微生物生态行为、并为地球上的噬菌体疗法和微生物组工程挖掘新方案的实用途径。"该研究主要作者之一、威斯康星大学麦迪逊分校的菲尔·赫斯博士向Space.com表示。
噬菌体基础知识
噬菌体是地球上最丰富的生物实体，专家估计地球存在约10³¹个噬菌体。这种意为"细菌吞噬者"的微生物遍布海洋、土壤乃至人体，深刻塑造着微生物生态系统。噬菌体对人类影响最显著的领域，可能是作为对抗抗生素耐药细菌及其他细菌感染的潜在治疗手段。
这些噬菌体如同被蛋白质包裹的微型"递送系统"。但与递送美味披萨不同，某些噬菌体（如本研究使用的T7噬菌体）通过附着在细菌细胞表面特定结构（通常是嵌入细胞外膜的分子）并注入遗传物质来感染细菌。一旦进入，噬菌体会劫持细菌的复制机制大量自我复制，最终裂解细菌细胞并释放新一代噬菌体粒子，进而感染邻近细菌。
噬菌体的这种精准攻击过程触发了与细菌的"进化军备竞赛"：细菌可通过改变或隐藏表面"着陆点"来进化出抗性。而当微重力环境介入时，情况变得更为复杂。
轨道上的病毒-细菌对决
为研究微重力的影响，团队选用T7噬菌体及其宿主大肠杆菌（Escherichia coli）展开实验。为纯净隔离微重力效应，研究者准备了两组完全相同的样本管：大肠杆菌未经摇动，在相同温度下分别培养1小时、2小时、4小时及23天。其中一组于2020年搭乘诺斯罗普·格鲁曼公司的NG-13"天鹅座"航天器送往国际空间站，另一组留在地球对照。
"实验需满足美国宇航局的严格约束：密封冻存管必须通过生物相容性和防漏测试，承受多次冻融循环，并确保轨道操作安全。"赫斯解释道，"样本量远低于地球实验常规水平，围绕此设计实验充满挑战！"
团队还调整了噬菌体与大肠杆菌的初始比例：高噬菌体比例样本预期快速感染，低比例样本则呈现更显著的动态变化。因两地实验无法完全同步，团队精确记录空间站培养时间后在地球匹配复现实验——这是国际空间站生物实验的常见解决方案。
微重力延缓相互作用
在典型地球实验室条件下，T7噬菌体可在远低于1小时内感染并杀死大肠杆菌。但在模拟微重力的完全密封、无摇动系统中，整体进程明显放缓。地球对照组在2至4小时间出现细菌感染激增，而微重力环境下在较短培养周期均未显现此现象，表明噬菌体感染过程显著延缓。然而，23天培养管呈现不同结果：轨道培养后样本中大肠杆菌数量减少，证实感染最终成功。
"我们推测微重力中缺乏重力驱动对流导致流体混合减少，降低了噬菌体与细菌的接触频率；同时宿主承受的微重力应激可能改变受体表达或细胞内过程，进一步延缓有效感染。"赫斯补充道。换言之，微重力中两者碰撞概率降低，且细菌可能进化出更强抗性，使整个感染周期晚于地球启动。
微重力诱发突变
23天后，团队分析噬菌体基因组构成，发现跨基因组的突变，其中微重力环境催生了特定突变——尤其影响结构和宿主互作相关基因。这些突变改变了噬菌体感染细菌的方式。
"最引人注目的是微重力将进化推向我们尚未完全理解的噬菌体基因组区域。"赫斯指出。研究显示微重力不仅改变感染速度，更决定了病毒哪些基因对成功感染宿主"最为关键"。
"我们才刚刚触及表面。"另一位主要作者、威斯康星大学麦迪逊分校的斯里瓦茨安·拉曼博士向Space.com表示，"需要在更复杂条件下开展更多实验。"
细菌同样发生进化：暴露于噬菌体的大肠杆菌比无威胁样本积累更多突变，符合进化军备竞赛的选择压力。部分显著变化影响外膜相关基因，可能改变噬菌体附着方式并增强细菌抗应激能力。
"微重力不仅放慢进程，更从感染动态到关键基因及突变层面，定性重塑噬菌体-宿主共同进化。"赫斯强调。
微重力为地球医学开辟新径？
通过深度突变扫描技术，团队检测噬菌体基因组1600多个突变变体，发现微重力中的"胜出"突变与地球截然不同。
"结果证实微重力是独特的选择环境，能揭示地球无法捕捉的适应性景观差异。"赫斯表示。研究人员利用这些突变构建改造噬菌体，测试其对尿路致病性大肠杆菌（与尿路感染相关的耐T7噬菌体菌株）的杀伤力，证实改造病毒可有效灭活耐药菌。
"微重力富集的噬菌体突变体能治疗尿路致病菌并杀死它们，表明微重力条件对地球病原体治疗具有相关性。"拉曼解释道。这对沙门氏菌中毒、肺炎乃至败血症等细菌疾病的地球治疗具有重大意义，但后续测试面临挑战。
"在国际空间站开展实验绝非易事，"拉曼坦言，"需耗时数年规划，且存在诸多后勤障碍。若要常规化执行此类实验，实施难度较大。"
太空飞行的未来启示？
从微观到宏观，这些结果表明太空微生物不会静止，而是以微重力特异性方式适应进化。
"数据清晰显示微生物在微重力中能快速且出人意料地适应。"赫斯补充，"理论上，相同压力可能富集我们担忧的地球特性，如药物耐药性或毒力改变。这是未来实验应通过长期监测抗生素敏感性、应激反应和竞争互作来主动验证的合理进化轨迹。"
这些适应是否会对长期太空任务构成真实威胁？拉曼认为需更多测试："病原体持续进化。我们应研究细菌在微重力下是否可能突变为更强致病性。本研究尚未进行此类实验，但细菌极富韧性且不断进化。我不会排除这种可能性，但必须通过严谨实验确认：细菌能否在国际空间站条件下成为病原体？"
未来太空研究可聚焦人类微生物组——其在太空条件下的进化机制仍不明确。对地球人类而言，该研究更具积极意义：微重力或能助力科学家开发出杀灭耐药细菌的新型噬菌体。
"这些太空衍生适应性景观的真正价值在于它们并非孤立存在。它们可与地球现有丰富数据集融合，优化治疗应用的工程策略。这无疑是当下最具操作性的启示。"赫斯总结道。
【全文结束】
