Since the Soviet Korabl-Sputnik 2 (

Since the Soviet Korabl-Sputnik 2 (called Sputnik 5 in the West) and the American Discover 17 satellites launched in 1960, numerous bacterial experiments have taken place in Earth’s orbit. It is now known that bacteria grown in space exhibit a number of differences relative to their Earth behavior. For non-motile, suspension cultures in particular, general trends of reduced lag phase and increased final population density have been consistently observed [1]. Other experiments have indicated changes such as improved biofilm formation [2,3], higher specific productivity of secondary metabolites [4], a thicker cell envelope [5] and enhanced conjugation efficiency [6]. In addition to these various altered microbial growth characteristics, results indicating increased capability to cause disease (virulence) [7,8] and reduced susceptibility to antibiotics in space have also been reported [9–15]. These health-related findings present especially concerning challenges for long duration space crews in terms of treating potential infections.

Although the cause of each of these observations is commonly attributed to some aspect of the reduced-gravity environment, a validated model quantifying the specific underlying mechanisms has not yet been established. Early theoretical analyses suggested that intracellular processes are not likely to be directly affected by gravity at this scale [16]. It has been hypothesized that the extracellular environment is altered due to the lack of gravity-driven forces and flows, namely buoyancy, sedimentation, and convection. Thus, molecular transport through the boundary layer to and from the cell essentially becomes limited to diffusive processes only [17–22]. This subtle, quasi-stable change in the chemical environment in the immediate vicinity of the cell (as an osmotic solute gradient) has been hypothesized to subsequently give rise, at least in part, to most of the altered behaviors summarized above [9,10,23–26]. Ground simulations of microgravity via clinorotation and the engineering of mutant buoyant strains have resulted in similar trends as observed in space experiments [27–30]. Interestingly, bacterial motility has been shown to eradicate many of these altered responses, presumably by disrupting the otherwise quiescent fluid environment experienced in the boundary layer surrounding non-motile cells in space [31].

However, to date neither spaceflight results, ground-based studies, physical measurement techniques [32] nor computational approaches [22], have provided sufficient evidence needed to definitively confirm the extracellular transport model proposed to govern bacterial responses to spaceflight. Therefore, although the above results and associated explanations all suggest that reduced mass transport can be responsible for the reported changes, they do not yet confirm this theory. In order to gain more insight into this suspected transport-driven underlying cause, we designed an experiment to characterize gene expression differences between matched E. coli liquid suspension cultures grown in space and on Earth. We hypothesized that for E. coli cultures grown in space, the genes associated with starvation (due to reduced glucose uptake) and acidic response (from buildup in the local microenvironment) would be overexpressed with respect to matched Earth controls. These responses would be expected to occur with reduced extracellular mass transport into and away from the cell. Because transcriptomic analyses allow us to investigate the dynamic responses of cells at the molecular level, these gene expression data could provide insight into environmental factors that the bacterial cells were exposed to in space and corroborate the proposed altered extracellular environment model.

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

ตั้งแต่ 2 Korabl Sputnik โซเวียตที่ (เรียกว่า Sputnik 5 ในตะวันตก) และดาวเทียม 17 ค้นพบอเมริกาในปี 1960 การทดลองแบคทีเรียจำนวนมากเกิดขึ้นในวงโคจรของโลก มันเป็นที่รู้จักว่า แบคทีเรียที่ปลูกในพื้นที่ที่มีจำนวนของความแตกต่างเมื่อเทียบกับพฤติกรรมของโลก สำหรับปลอด-motile ระงับวัฒนธรรมโดยเฉพาะอย่างยิ่ง แนวโน้มทั่วไปของลด ขั้นตอนความล่าช้าและความหนาแน่นของประชากรเพิ่มขึ้นสุดท้ายได้รับอย่างสม่ำเสมอปฏิบัติ [1] การทดลองอื่น ๆ ได้บ่งชี้การเปลี่ยนแปลงที่ดีขึ้นเช่นฟิล์มก่อ [2, 3] เพิ่มผลผลิตเฉพาะสูงรองสาร [4], เซลล์ซองหนา [5] และผันเพิ่มประสิทธิภาพ [6] นอกจากลักษณะการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์ที่มีการเปลี่ยนแปลงต่าง ๆ เหล่านี้ ผลการแสดงความสามารถที่เพิ่มขึ้นทำให้เกิดโรค (ความรุนแรง) [7.8] และลดความไวต่อการใช้ยาปฏิชีวนะในพื้นที่ได้ยังรับรายงาน [9-15] ค้นพบเหล่านี้เกี่ยวกับสุขภาพปัจจุบันโดยเฉพาะอย่างยิ่งเกี่ยวกับความท้าทายสำหรับทีมงานพื้นที่ระยะเวลานานในแง่ของการรักษาการติดเชื้อแม้ว่าสาเหตุของแต่ละข้อสังเกตเหล่านี้มักเกิดจากบางแง่มุมของสภาพแวดล้อมที่ลดแรงโน้มถ่วง แบบผ่านการตรวจสอบเชิงปริมาณกลไกพื้นฐานที่เฉพาะเจาะจงไม่ได้ก่อ วิเคราะห์ทฤษฎีต้นแนะนำว่า กระบวนการภายในเซลล์มักไม่ได้รับผลกระทบโดยตรง โดยแรงโน้มถ่วงในสเกลนี้ [16] มันมีการตั้งสมมติฐานว่า สารสิ่งแวดล้อมมีการเปลี่ยนแปลงเนื่องจากมีแรงขับเคลื่อนด้วยแรงโน้มถ่วงและไหล คือพยุง ตกตะกอน และพา ดังนั้น ขนส่งโมเลกุลผ่านชั้นขอบเขต และ จากเซลล์เป็นหลักจะจำกัดเฉพาะ diffusive [17 – 22] กระบวนการ ลึกซึ้ง กึ่งเสถียรการเปลี่ยนแปลงนี้ในสภาพแวดล้อมทางเคมีในบริเวณใกล้เคียงของเซลล์ (เป็นการไล่ระดับสีละลายการออสโมติก) ได้ถูกตั้งสมมติฐานว่าไปต่อมาให้ น้อยในส่วน ที่สุดของพฤติกรรมมีการเปลี่ยนแปลงสรุปข้างต้น [9,10,23 – 26] พื้นจำลองของ microgravity ผ่าน clinorotation และวิศวกรรมกลายพันธุ์สายพันธุ์ลอยตัวมีผลในแนวโน้มที่คล้ายกันเป็นที่สังเกตในพื้นที่ทดลอง [27-30] น่าสนใจ แบคทีเรียเคลื่อนไหวได้รับการแสดงเพื่อกำจัดคำตอบเหล่านี้มีการเปลี่ยนแปลง มากมายสันนิษฐานว่า โดยรบกวนสิ่งแวดล้อมน้ำมันนิ่งมิฉะนั้นที่มีประสบการณ์ในชั้นขอบเขตโดยรอบเซลล์-motile ในพื้นที่ [31]อย่างไรก็ตาม ในวันผลลัพธ์ไม่อวกาศ ภาคพื้นศึกษา เทคนิคการวัดทางกายภาพ [32] หรือวิธีคำนวณ [22], ได้ให้หลักฐานเพียงพอที่จำเป็นเพื่อยืนยันแบบจำลองการขนส่งสารเสนอเพื่อควบคุมเชื้อแบคทีเรียตอบอวกาศระบุได้ชัดเจน ดังนั้น แม้ว่าผลข้างต้นและคำอธิบายที่เกี่ยวข้องแนะนำว่า ขนส่งมวลชนลดรับผิดชอบการเปลี่ยนแปลงรายงาน เขาไม่ยังยืนยันทฤษฎีนี้ เพื่อให้ได้เข้าใจนี้สงสัยว่าสาเหตุที่ขับเคลื่อนการขนส่ง เราออกแบบการทดลองกับลักษณะยีนแสดงความแตกต่างระหว่างวัฒนธรรมของเหลวแขวนตรงกับ E. coli ปลูก ในอวกาศ และ บนโลก เราตั้งสมมติฐานว่า สำหรับปลูกในพื้นที่วัฒนธรรม E. coli ยีนที่เกี่ยวข้องกับความอดอยาก (เนื่องจากการดูดซึมกลูโคสลดลง) และการตอบสนองที่เป็นกรด (จากสะสมในสภาพแวดล้อมในท้องถิ่น) จะ overexpressed เกี่ยวกับควบคุมโลกตรงกัน คำตอบเหล่านี้จะต้องเกิดขึ้นกับขนส่งมวลชนลดสารเข้า และออก จากเซลล์ เนื่องจาก transcriptomic การวิเคราะห์ช่วยให้เราสามารถตรวจสอบการตอบสนองแบบไดนามิกของเซลล์ในระดับโมเลกุล ข้อมูลนิพจน์ยีนเหล่านี้สามารถให้ความเข้าใจในปัจจัยแวดล้อมที่มีสัมผัสกับเซลล์แบคทีเรียในพื้นที่ และ corroborate แบบเสนอแวดล้อมที่มีการเปลี่ยนแปลงของสาร

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

ตั้งแต่โซเวียต Korabl-ปุตนิก 2 (เรียกว่าปุตนิก 5 ในเวสต์) และดาวเทียมอเมริกันค้นพบ 17 เปิดตัวในปี 1960 การทดลองเชื้อแบคทีเรียจำนวนมากได้เกิดขึ้นในวงโคจรของโลก เป็นที่รู้จักกันในขณะนี้ว่าแบคทีเรียที่ปลูกในพื้นที่จัดแสดงจำนวนของความแตกต่างเมื่อเทียบกับพฤติกรรมของพวกเขาโลก สำหรับผู้ที่ไม่เคลื่อนที่วัฒนธรรมระงับโดยเฉพาะอย่างยิ่งแนวโน้มทั่วไปของเฟสล่าช้าลดลงและเพิ่มขึ้นความหนาแน่นของประชากรสุดท้ายได้รับการปฏิบัติอย่างต่อเนื่อง [1] การทดลองอื่น ๆ ได้แสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงที่ดีขึ้นเช่นการสร้างไบโอฟิล์ม [2,3] ผลผลิตที่เฉพาะเจาะจงที่สูงขึ้นของสารทุติยภูมิ [4], ซองมือถือหนา [5] และมีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นผัน [6] นอกเหนือไปจากการเปลี่ยนแปลงลักษณะการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์ต่างๆเหล่านี้ผลแสดงให้เห็นความสามารถที่เพิ่มขึ้นจะทำให้เกิดโรค (ความรุนแรง) [7,8] และการลดความไวต่อยาปฏิชีวนะในการพื้นที่ยังได้รับรายงาน [9-15] เหล่านี้ผลการวิจัยที่เกี่ยวข้องกับสุขภาพในปัจจุบันโดยเฉพาะอย่างยิ่งเกี่ยวกับความท้าทายสำหรับทีมงานพื้นที่ระยะเวลานานในแง่ของการรักษาโรคติดเชื้อที่อาจเกิดขึ้น.

แม้ว่าสาเหตุของแต่ละข้อสังเกตเหล่านี้จะถูกนำมาประกอบกันทั่วไปในบางแง่มุมของสภาพแวดล้อมการลดแรงโน้มถ่วง, รูปแบบการตรวจสอบเชิงปริมาณกลไกที่เฉพาะเจาะจง ยังไม่ได้รับการจัดตั้งขึ้น ในช่วงต้นของการวิเคราะห์เชิงทฤษฎีชี้ให้เห็นว่ากระบวนการภายในเซลล์ไม่น่าจะได้รับผลกระทบโดยตรงจากแรงโน้มถ่วงในระดับนี้ [16] มีการตั้งสมมติฐานว่าสภาพแวดล้อม extracellular มีการเปลี่ยนแปลงเนื่องจากการขาดของกองกำลังแรงโน้มถ่วงเป็นตัวขับเคลื่อนและกระแสคือการพยุงการตกตะกอนและการพาความร้อน ดังนั้นการขนส่งโมเลกุลผ่านชั้นขอบเขตไปและกลับจากมือถือเป็นหลักจะกลายเป็นข้อ จำกัด ในการกระบวนการดิเท่านั้น [17-22] นี้บอบบางเปลี่ยนแปลงกึ่งมีเสถียรภาพในสภาพแวดล้อมทางเคมีในบริเวณใกล้เคียงของเซลล์ (เป็นตัวละลายลาดออสโมติก) ได้รับการตั้งสมมติฐานต่อมาให้สูงขึ้นอย่างน้อยในส่วนที่มากที่สุดของการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมการสรุปข้างต้น [9,10 , 23-26] การจำลองพื้นดินของน้ำหนักผ่าน clinorotation และวิศวกรรมของสายพันธุ์ลอยตัวกลายพันธุ์ที่มีผลในแนวโน้มที่คล้ายกันเป็นที่สังเกตในพื้นที่ทดลอง [27-30] ที่น่าสนใจ, การเคลื่อนที่ของแบคทีเรียได้รับการแสดงที่จะกำจัดจำนวนมากของการตอบสนองการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้น่าจะรบกวนสภาพแวดล้อมของเหลวนิ่งมิฉะนั้นประสบการณ์ในชั้นขอบเขตรอบเซลล์ไม่มีเคลื่อนไหวในพื้นที่ [31].

แต่วันที่ไม่ได้ผล spaceflight, ภาคพื้นดิน ศึกษาเทคนิคการวัดทางกายภาพ [32] หรือวิธีการคำนวณ [22] ได้ให้หลักฐานเพียงพอที่จำเป็นในการแตกหักยืนยันรูปแบบการขนส่งสารที่นำเสนอในการควบคุมการตอบสนองของแบคทีเรีย spaceflight ดังนั้นถึงแม้ว่าผลการดังกล่าวข้างต้นและคำอธิบายที่เกี่ยวข้องทั้งหมดชี้ให้เห็นว่าการขนส่งมวลลดลงสามารถรับผิดชอบต่อการเปลี่ยนแปลงรายงานที่พวกเขายังไม่ยืนยันทฤษฎีนี้ เพื่อที่จะได้เข้าใจมากขึ้นในการขนส่งผู้ต้องสงสัยที่ขับเคลื่อนด้วยสาเหตุนี้เราได้รับการออกแบบการทดลองเพื่ออธิบายลักษณะความแตกต่างระหว่างการแสดงออกของยีนที่ตรงกับเชื้อ E. coli ของเหลววัฒนธรรมระงับการเจริญเติบโตในพื้นที่และบนโลก เราตั้งสมมติฐานว่าสำหรับอีโคไลวัฒนธรรมที่ปลูกในพื้นที่ยีนที่เกี่ยวข้องกับความอดอยาก (เนื่องจากการลดการดูดซึมกลูโคส) และการตอบสนองที่เป็นกรด (จากการสะสมใน microenvironment ท้องถิ่น) จะถูกแสดงออกที่เกี่ยวกับการควบคุมโลกจับคู่ คำตอบเหล่านี้จะได้รับการคาดหวังว่าจะเกิดขึ้นกับการลดลงขนส่งมวลชน extracellular เข้าและออกไปจากเซลล์ เพราะ transcriptomic วิเคราะห์ช่วยให้เราสามารถตรวจสอบการตอบสนองแบบไดนามิกของเซลล์ในระดับโมเลกุลเหล่านี้ข้อมูลการแสดงออกของยีนที่สามารถให้ข้อมูลเชิงลึกในปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมที่เซลล์แบคทีเรียได้สัมผัสกับในพื้นที่และยืนยันการเสนอรูปแบบการเปลี่ยนแปลงสภาพแวดล้อม extracellular