Einfluss von Weltraumreisen auf das menschliche Speichelmikrobiom

Die Anzahl der ribosomalen RNA (RRNA) ist ein wichtiger Faktor dafür, wie schnell Bakterien wachsen können. Einfach gesagt, Bakterien mit mehr rRNA-Kopien wachsen tendenziell schneller. Das sieht man oft bei Bakterienarten, die in nährstoffreichen Umgebungen gedeihen, auch Kopiotrophen genannt. Im Gegensatz dazu haben langsam wachsende Bakterien in nährstoffarmen Umgebungen, die als Oligotrophen bekannt sind, normalerweise weniger rRNA-Kopien. Wissenschaftler haben untersucht, wie sich diese Zahlen im Laufe der Zeit in verschiedenen Bakteriengemeinschaften ändern. Die Ergebnisse zeigen, dass mit der Entwicklung dieser Gemeinschaften die durchschnittliche rRNA-Kopienanzahl oft sinkt.

In den frühen Phasen einer Bakteriengemeinschaft, wo es viel Nahrung und wenig Konkurrenz gibt, übernehmen meist schnell wachsende Bakterien. Der Grund, warum sie so schnell wachsen können, liegt darin, dass mehr rRNA es ihnen ermöglicht, mehr Ribosomen zu produzieren, die für die Proteinproduktion unerlässlich sind. Experimente haben gezeigt, dass, wenn die Anzahl der rRNA-Kopien erhöht wird, diese schnell wachsenden Bakterien tatsächlich schneller wachsen. Einige natürliche Beobachtungen haben jedoch andere Ergebnisse gezeigt.

Wenn eine Bakteriengemeinschaft reift, deutet eine niedrigere durchschnittliche Anzahl an rRNA-Kopien auf einen Wechsel zu langsamer wachsenden, aber effizienteren Bakterien hin. Das bedeutet, dass diese Bakterien gut darin sind, das bisschen Nahrung, das sie finden können, optimal zu nutzen. In Prokaryoten, zu denen auch Bakterien gehören, ist rRNA immer auf einem bestimmten Niveau vorhanden, wodurch ihre Produktion ein fester Prozess ist.

Im Vergleich zu grösseren Lebewesen wissen wir weniger darüber, wie sich Mikroben in verschiedenen Umgebungen verändern. Es gibt einige Forschungen darüber, wie sich Mikroben in kontrollierten Umgebungen verhalten, wie in den Studien von NASA. Allerdings scheint es wenig Arbeit darüber zu geben, wie sich diese Mikroben im Weltraum verhalten. Wenn Bereiche für das Leben im Weltraum geschaffen werden, wird alles sehr sauber gehalten. Dennoch wird es immer Bakterien geben, die den Reinigungsprozess überstehen oder von Menschen kommen.

#Das Speichelmikrobiom

Das Speichelmikrobiom, das Teil des oralen Mikrobioms ist, besteht aus 500 bis 700 verschiedenen Bakterienarten. Nur etwa 300 dieser Arten sind in jedem Menschen zu finden. Haupttypen dieser Bakterien sind Actinobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes, Fusobacteria und Proteobacteria. Kürzlich wurden auch mehr Bakterien aus einer Gruppe namens Candidate Phyla Radiation, speziell Patescibacteria, identifiziert. Das Speichelmikrobiom ist wichtig, da Veränderungen in diesen Bakterien mit oralen Krankheiten verbunden werden können. Zum Beispiel kann die Anzahl bestimmter Bakterien auf das Vorhandensein von Zahnfleischerkrankungen hinweisen. Ausserdem könnte das Speichelmikrobiom helfen, andere Gesundheitsprobleme ohne invasive Verfahren zu identifizieren.

Das orale Mikrobiom beginnt sich bei der Geburt zu entwickeln, hauptsächlich beeinflusst durch den Kontakt mit der Mutter, obwohl das Mikrobiom jeder Person früh einzigartig wird.

Eine wichtige Frage bleibt: Wie verändern sich die Eigenschaften dieser mikrobielen Gemeinschaften in neuen Umgebungen, insbesondere bei Menschen? Die Auswirkungen von Raumreisen und Stress durch den Aufenthalt im Weltraum auf die Bakterien im menschlichen Speichel sind nicht gut verstanden. Diese Forschung zielt darauf ab, Veränderungen in der rRNA-Kopienzahl im menschlichen Speichelmikrobiom vor, während und nach Raumreisen zu untersuchen. Die Idee ist, dass der Umzug ins All, eine ganz andere Umgebung, diese Bakterien verändert, wobei besonders diejenigen begünstigt werden, die sich schneller anpassen können, wie Kopiotrophen.

#Datenerhebung

Für diese Studie verwendeten die Forscher einen Datensatz, der Informationen über das Speichelmikrobiom von Astronauten enthält. Die Daten wurden in drei Phasen gesammelt: vor der Raumfahrt, während der Raumfahrt und nach der Raumfahrt. Die spezifische Datentyp, die genutzt wurde, basierte auf 16S rRNA-Sequenzierung, die hilft, die verschiedenen Arten von Bakterien zu identifizieren und zu zählen. Dieser Prozess filterte weniger relevante Daten heraus und liess den Forschern eine handhabbare Anzahl einzigartiger Bakteriengruppen zum Studieren.

#Identifizierung von Arten und Schätzung der Kopienanzahl

Da die Sequenzierungsdaten Bakterien nur bis zur Gattungsebene identifizieren konnten und nicht die spezifischen Arten, mussten die Forscher detailliertere Informationen über die verschiedenen Bakterien sammeln. Sie verglichen die Sequenzen aus dem Datensatz mit einer Datenbank, die die rRNA-Kopienzahlen für verschiedene Bakterien auflistet. Wenn die spezifische Art nicht verfügbar war, verwendeten die Forscher Daten von der nächstgelegenen taxonomischen Ebene.

Nachdem die notwendigen Daten gesammelt waren, berechneten die Forscher die durchschnittlichen rRNA-Kopienzahlen für die einzigartigen Bakteriengruppen in den Proben. Dies ergab eine geschätzte Kopienanzahl für jede Bakterienart.

#Analyse der Gemeinschaftskopienanzahl

Die geschätzte rRNA-Kopienzahl für jede Bakteriengruppe wurde dann wieder zu dem Datensatz hinzugefügt, der enthielt, wie viele von jeder Bakterienart in den Proben vorhanden waren. Durch den Vergleich der durchschnittlichen rRNA-Kopienzahl über die Proben hinweg konnten die Forscher ein klareres Bild davon bekommen, wie sich die Gemeinschaft im Laufe der Zeit verändert hat. Diese durchschnittliche Zahl wird alsgemeinschaftsgewichteter Mittelwert der Kopienanzahl bezeichnet.

#Datenanalyse

Die Forscher schauten sich dann an, wie sich die durchschnittliche rRNA-Kopienzahl der Gemeinschaft während der verschiedenen Phasen der Raumfahrt veränderte, indem sie statistische Modelle verwendeten. Sie wollten sehen, ob es signifikante Unterschiede in der durchschnittlichen rRNA-Kopienzahl zwischen den drei Phasen gab: vor dem Raumflug, während des Raumflugs und nach dem Raumflug.

Bei den Ergebnissen fanden sie einen signifikanten Anstieg der durchschnittlichen rRNA-Kopienzahl der Gemeinschaft während der Raumfahrt. Die durchschnittliche Kopienanzahl war während dieser Zeit deutlich höher als davor und danach. Selbst als die Forscher andere Faktoren berücksichtigten, blieb der Unterschied offensichtlich.

#Veränderungen zwischen den Raumfahrtphasen

Die Studie untersuchte auch, wie sich die Häufigkeit verschiedener Bakteriengruppen während der Raumfahrt verschob. Die Forscher fanden deutliche Veränderungen in den vorhandenen Bakteriengruppen. Es gab einen Anstieg der Proteobacteria, während die Populationen von Actinobacteria und Firmicutes während der Raumfahrt abnahmen.

Obwohl die Forscher verschiedene Methoden zur Untersuchung der Daten verwendeten, fanden sie keine deutlichen Gruppen von Proben basierend auf der Zeitphase. Stattdessen bildeten die Proben einen gemischten Cluster, unabhängig davon, ob sie vor, während oder nach der Raumfahrt gesammelt wurden.

Was die Häufigkeit und Vielfalt der Bakterien betrifft, blieb die Daten über die Phasen hinweg ziemlich konstant. Proben, die vor der Raumfahrt genommen wurden, zeigten jedoch die höchste Bakterienhäufigkeit und Vielfalt, während die Proben nach der Raumfahrt die niedrigste hatten. Dies deutet darauf hin, dass Raumreisen möglicherweise negative Auswirkungen auf die mikrobielle Vielfalt und Häufigkeit haben könnten, und diese Effekte könnten sogar nach der Rückkehr zur Erde weiterhin bestehen.

#Sensitivität der Kopienzahlenschätzung

Die Forscher testeten auch, wie sensibel ihre rRNA-Kopienzahlschätzungen gegenüber verschiedenen Methoden waren. Sie wählten zufällig mögliche Schätzungen der Kopienzahl für jede Bakteriengruppe aus und überprüften, wie diese Variationen ihre Ergebnisse beeinflussten. Sie fanden heraus, dass die Unterschiede in den geschätzten Kopienzahlen einen signifikanten Einfluss auf die statistischen Ergebnisse der Studie hatten.

#Zusammenfassung der Ergebnisse

Der signifikante Anstieg der rRNA-Kopienzahl während der Raumfahrt war bemerkenswert. Es schien durch einen Anstieg der Proteobacteria und einen Rückgang der Actinobacteria und Firmicutes getrieben zu werden. Trotz der klaren Veränderungen in den Bakterienpopulationen beobachteten die Forscher keine Clusterbildung der Proben nach Phase. Die Häufigkeit und Vielfalt der Bakterien nahm während der Raumfahrt ab und zeigte einen allgemeinen negativen Effekt der Weltraumumgebung.

Eine überraschende Entdeckung war der Rückgang der Firmicutes, da diese Gruppe normalerweise eine hohe durchschnittliche rRNA-Kopienzahl hat. Diese Veränderung deutete darauf hin, dass möglicherweise spezifische Arten innerhalb dieser Gruppe für das Gesamtverhalten der Gemeinschaft wichtiger sind als die Gruppe als Ganzes.

Um diese Veränderungen genauer zu betrachten, berechneten die Forscher die Häufigkeit jeder einzigartigen Bakteriengruppe über die drei Zeitphasen hinweg. Sie fanden heraus, dass unter den Gruppen, die während der Raumfahrt in der Anzahl zunahmen, die meisten moderate Kopienzahlen hatten und hauptsächlich in der Gruppe der Proteobacteria vorkamen. Im Gegensatz dazu waren die Gruppen, die abnahmen, grösstenteils Firmicutes mit niedrigeren durchschnittlichen Kopienzahlen.

#Auswirkungen auf zukünftige Forschung

Der Wechsel der rRNA-Kopienzahl während der Raumfahrt wirft Fragen darüber auf, wie Bakteriengemeinschaften auf ungewöhnliche Umgebungen wie den Weltraum reagieren. Während bekannt ist, dass das orale Mikrobiom gegen viele Veränderungen resistent ist, können äussere Faktoren wie Ernährung und Gesundheit dennoch einen grossen Einfluss darauf haben. Das Verhalten von Mikroben im Weltraum ist wichtig zu studieren, da sie sich Herausforderungen wie Strahlung und Veränderungen ihrer Lebensbedingungen anpassen können.

Eine klare Grenze dieser Studie war, dass nicht alle Arten genaue Schätzungen der rRNA-Kopienzahlen hatten. Die Methoden, die zur Identifizierung dieser Bakterien verwendet wurden, hatten nicht genug Präzision für eine genaue Artenidentifikation. Obwohl diese Studie wertvolle Ergebnisse lieferte, sind genauere Methoden zur Schätzung der rRNA-Kopienzahlen und zur Identifizierung von Arten für zukünftige Forschung notwendig.

Um auf dieser Arbeit aufzubauen, sollten Wissenschaftler sich darauf konzentrieren, mehr Einblick in das Verhalten von mikrobielen Gemeinschaften während der Raumfahrt zu gewinnen. Letztendlich wird das Verständnis, wie diese Bakterien wachsen und sich anpassen, helfen, die menschliche Gesundheit während langfristiger Raummissionen zu managen und sicherzustellen, dass sowohl Astronauten als auch ihre Umgebungen gesund bleiben.