L’habitat interno di una navicella spaziale è un ambiente confinato con un ecosistema semplice costituito principalmente da microrganismi e umani. I cambiamenti nella patogenicità e nella virulenza dei batteri, così come nel sistema immunitario degli astronauti, durante il volo spaziale possono rappresentare potenziali rischi per la salute dell’equipaggio. Per garantire la sicurezza microbiologica nell’habitat spaziale, come può essere quello dell’ISS, è necessaria un’analisi completa del microbiota ambientale per comprendere il mondo microbico generale in questo habitat. I dati risultanti contribuiscono al monitoraggio microbico basato sull’evidenza e tale monitoraggio, se continuo, fornirà informazioni sui cambiamenti nella carica batterica e nell’ecosistema microbico.
Queste informazioni sono indispensabili per la gestione microbiologica di un ambiente confinato. È importante sottolineare che la maggior parte dei microbi in questo ambiente è difficile da coltivare in condizioni di coltura convenzionali. Per migliorare la comprensione della comunità microbica nell’habitat spaziale, sono necessari approcci indipendenti da quello colturale. Inoltre, è necessario valutare il carico biologico e l’attività fisiologica dei microbi durante futuri insediamenti spaziali a lungo termine, in modo che il livello di “allerta” e/o “azione” possa essere valutato in base ai cambiamenti in tempo reale nell’ecosistema microbico. In questo articolo verrà esposto il monitoraggio microbico nella Stazione Spaziale Internazionale-Kibo al 2019, e verrà discusso come questi risultati saranno adattati al controllo microbico nelle abitazioni spaziali e nelle industrie di trasformazione farmaceutica e alimentare.
Scopo e modalità dell’analisi
La National Aeronautics and Space Administration (NASA) e l’Agenzia spaziale federale russa hanno monitorato continuamente i microrganismi nella International Space Station (ISS). La maggior parte dei microbi negli ambienti difficilmente viene coltivata in condizioni di coltura convenzionali. Per comprendere il mondo microbico reale, sono necessari approcci indipendenti dalla cultura. Nell’ultimo decennio, l’uso di sequenziatori ad alto rendimento si è ampliato nel campo della microbiologia ambientale, facilitando queste analisi indipendenti dalla cultura dell’abbondanza batterica e delle strutture della comunità.
In Giappone, dal 2009, è avvenuta una collaborazione con la Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) per eseguire il monitoraggio continuo dei microbi ambientali nel modulo sperimentale giapponese “Kibo” sulla ISS (il nome dell’esperimento è “Microbe“).
Gli astronauti hanno campionato i microbi dalla superficie del Kibo utilizzando metodi di campionamento ottimizzati. I campioni sono stati conservati nel MELFI (Minus Eighty gradi Celsius Laboratory Freezer for ISS) sulla ISS, trasportati sulla Terra e analizzati nel nostro laboratorio. Oltre ai metodi di coltura convenzionali, l’abbondanza batterica e la struttura della comunità dei microrganismi sono state analizzate utilizzando rispettivamente PCR quantitativa e metodi di sequenziamento dell’amplicone mirati al gene RNA 16S ribosomiale (rRNA).
Risultati dell’analisi
I risultati hanno mostrato che la maggior parte dei batteri presenti nel Kibo erano costituenti del microbiota umano e che questi batteri si sono stabiliti attraverso operazioni a lungo termine. Questi batteri potrebbero aver avuto origine dagli astronauti. Tuttavia, l’abbondanza batterica era vicina al limite inferiore di quantificazione (102-103 cellule/cm2), circa un decimo dell’abbondanza batterica nei laboratori a terra, il che indicava che il controllo microbiologico nel Kibo era appropriato. Poiché i batteri nella ISS sono generalmente considerati batteri derivati dall’uomo, è difficile eliminare i microbi mentre le persone sono presenti, anche in un ambiente ben controllato. Pertanto, è importante gestire e convivere correttamente con i microrganismi, sulla base dei dati raccolti nell’habitat spaziale.
Come accennato in precedenza, il monitoraggio microbico presso l’ISS viene eseguito trasportando i campioni raccolti nell’ISS in un laboratorio a terra per l’analisi. Durante l’abitazione spaziale a lungo termine, il monitoraggio microbico a bordo e in tempo reale è indispensabile per risposte rapide ai rischi microbiologici. I metodi microbiologici rapidi di nuova concezione all’avanguardia faciliteranno il monitoraggio in loco e l’analisi dei microbi in tempo reale.
Nel prossimo futuro, a bordo della ISS verranno determinati il carico biologico e l’attività fisiologica dei microbi. Questo permetterà di controllare il livello di “allerta” e/o “azione” e permettere un giudizio in tempo reale sulla base dei cambiamenti nell’ecosistema microbico. La NASA ha condotto l’esperimento di tracciamento microbico 1 (MT-1) dal 2015 al 2017 e l’esperimento di tracciamento microbico 2 (MT-2) dal 2017. MT-1 è stato eseguito per catalogare il microbioma ambientale della ISS e MT-2 è stato eseguito per catalogare e caratterizzare potenziali microrganismi che causano malattie legate all’uomo.
In MT-1, i metodi di coltura sono stati confrontati con i metodi molecolari per caratterizzare la diversità di batteri e funghi sulla ISS. La NASA dispone di un database di analisi molecolari provenienti da esperimenti spaziali, chiamato “GeneLab“, aperto alla comunità della ricerca scientifica. I set di dati molecolari degli esperimenti MT-1 e MT-2 sono stati collocati nel GeneLab della NASA per incoraggiare l’innovazione futura. In Europa, il modulo “Columbus” dell’Agenzia spaziale europea viene regolarmente sottoposto a screening per la contaminazione della superficie con le stesse procedure utilizzate dalla NASA.
Missioni attuali e prospettive future del monitoraggio microbico spaziale
La NASA sta promuovendo metodi molecolari per gli studi sui microbi spaziali, utili per l’analisi perché facilitano la comprensione del mondo microbico sulla ISS. L’amplificazione del DNA mediante un sistema mini-PCR è stata lanciata sulla ISS nel 2016 e campioni di DNA di pesce zebra sono stati amplificati utilizzando un plasmide preparato nel laboratorio a terra. Il campione è stato elaborato mediante PCR ed è stata eseguita un’analisi genetica mentre era in orbita utilizzando il progetto Wetlab-2.
Un piccolissimo sequenziatore di DNA delle dimensioni di un bastoncino, MinION (Oxford Technologies) è stato lanciato sulla ISS, ed è in grado di analizzare il DNA senza grandi errori dovuti alla microgravità. È stato istituito un nuovo istituto di ricerca traslazionale della NASA per sviluppare il progetto “Omics in Space” (OIS), che prevede il monitoraggio delle condizioni fisiologiche e immunologiche che colpiscono gli esseri umani durante le missioni di volo spaziale. La NASA sta sviluppando strumentazione automatica per l’estrazione di acidi nucleici e metodologie di sequenziamento nello spazio (ad es. PCR, sequenziamento del DNA e sistemi di manipolazione dei campioni).
Senza restituire i campioni a terra, i microrganismi possono essere monitorati e identificati nello spazio nel prossimo futuro.
Le attività umane si sono estese agli ambienti spaziali e le agenzie spaziali stanno pianificando lunghi soggiorni su basi lunari, nonché l’esplorazione di Marte. La NASA sta lavorando con altre agenzie spaziali per sviluppare una piccola astronave, nota come Space Gateway, che orbiterà attorno alla Luna. Questo tragitto dalla Terra a questa navicella spaziale sarà di circa 5 giorni (250000 miglia); la nave sarà la base per le spedizioni degli astronauti sulla Luna e per le future missioni umane su Marte. I dati ottenuti dagli studi microbiologici nella ISS e dagli ambienti simulati sono indispensabili per l’esplorazione spaziale con equipaggio. I risultati sulla relazione tra esseri umani e microrganismi ottenuti nello spazio, che è l’ambiente di vita definitivo e impegnativo, saranno utili anche sul terreno.
