Los vuelos espaciales tienen un profundo impacto sobre la fisiología humana, ya que el cuerpo debe adaptarse a ambientes donde la gravedad no existe. ¿Pero qué les ocurre a otros organismos vivos más diminutos: los microbios?

Poco se sabía de esto hasta el momento en que el Instituto de Biodiseño de la Arizona State University (ASU), de los Estados Unidos, hizo un estudio orientado a dilucidar el efecto de la falta de gravedad sobre estos organismos. Y el resultado no deja de ser inquietante aun para las mentes ajenas a la ciencia ficción: estos diminutos pasajeros se vuelven más infecciosos cuando viajan al espacio.

“Los vuelos espaciales alteran las respuestas celulares y fisiológicas de los astronautas, incluyendo la respuesta inmune”, dice Cheryl Nickerson, quien dirigió el proyecto a bordo de la misión del transbordador espacial STS-115, en septiembre de 2006, que involucró la colaboración internacional de la NASA, la ASU y otras 12 instituciones de investigación. “Pero se conocía relativamente muy poco sobre los cambios de los microbios en relación con el riesgo de enfermedades infecciosas en los vuelos espaciales”, comenta.

Nickerson y el autor principal del trabajo James Wilson, profesor en la Escuela de Ciencias de la Vida de ASU, hicieron el primer estudio de esta clase para investigar el efecto de los vuelos espaciales sobre la respuesta genética y la potencial virulencia de la Salmonella typhimurium. Esta es la principal bacteria responsable del envenenamiento de los alimentos. En personas cuyo sistema inmune está comprometido, como es el caso de las personas de edad, jóvenes, o personas con el sistema inmune deprimido, la infección por salmonella termina siendo fatal si no es tratada a tiempo.

La micrografía muestra (en rojo) la virulencia de la Salmonella Tiphimurium invadiendo células humanas cultivadas.

El regulador que habla

Los resultados fueron publicados en Proceedings of the National Academy of Sciences y revelan que un regulador importante, llamado Hfq, cumple un rol central en el desencadenamiento de los cambios genéticos, que muestran un incremento en la virulencia de la salmonella como resultado del viaje al espacio. La proteína Hfq fue descubierta en 1968. Está involucrada en una variedad de procesos de modificación del ARN. Hfq es una proteína que une y regula un número de ARNs que, a su vez, controlan la expresión genética. El estudio sugiere que podría haber un papel para esos ARNs regulatorios en la respuesta celular a las fuerzas física y mecánica que plantean los vuelos espaciales.

Las conclusiones de estos estudios pueden servir sin duda para producir avances en la investigación de las enfermedades infecciosas, tanto en el espacio como en la Tierra. Incluso podrían llevar al desarrollo de nuevos tratamientos terapéuticos y modos de prevención de las enfermedades infecciosas.

Para estudiar los efectos de los vuelos espaciales, Nickerson y sus colegas enviaron tubos con la bacteria salmonella a bordo del transbordador espacial Atlantis. Los tubos con las bacterias fueron ubicados en un triple contenedor de seguridad a fin de que no representaran una amenaza para la salud de la tripulación.

Durante el vuelo, la astronauta Heidemarie M. Stefanyshyn-Piper activó el crecimiento de las bacterias en un dispositivo sellado para determinar los cambios que se producían en la expresión de los niveles de genes y proteínas.

Los cultivos bacteriales fueron llevados al espacio y activados para crecer en un compartimiento separado de los tubos, llamado “cámara de crecimiento”. Las bacterias no tenían acceso a dicha cámara hasta que presionaron un émbolo que introdujo a las bacterias en la misma. Entonces, crecieron por 24 horas.

Luego, presionaron nuevamente el émbolo, lo que fijó las bacterias con sustancias químicas que preservaron la expresión de los mensajes genéticos, o las introdujo en un medio fresco para mantenerlas creciendo, a fin de efectuar los estudios de virulencia.

Replica en la Tierra

Al mismo tiempo, pero en la Tierra, el equipo de Nickerson hizo crecer un conjunto idéntico de bacterias en el mismo tipo de tubos usados en el vuelo, y los incubó en un cuarto especial del Centro Espacial Kennedy de la NASA denominado “simulador de ambiente orbital”.

Ese simulador estaba unido en tiempo real al transbordador y reprodujo la misma temperatura, humedad y condiciones de crecimiento. La única diferencia fue que no estaba en el espacio. Además, los hombres en la NASA estaban unidos en tiempo real en las comunicaciones con la tripulación del transbordador.

Cuando ellos activaban y terminaban los experimentos en vuelo, en Tierra hacían las mismas cosas al mismo tiempo para hacer crecer el mismo tipo de muestras de salmonella.

Luego de que las bacterias retornaron a Tierra, el grupo realizó un primer análisis global de salmonella para medir los efectos del vuelo espacial sobre la expresión de los genes y las proteínas. Al medir los patrones de genes y proteínas los investigadores también pudieron estudiar la virulencia de las bacterias.

“Elegimos medir la expresión de los genes al nivel del ARN mensajero ya que la técnica para hacerlo es altamente avanzada y un modo conveniente de medir cuantitativamente la expresión de cada gen en un solo experimento”, dice Wilson, quien coordinó los esfuerzos del equipo para el laboratorio de Nickelson y jugó un rol central en la realización de estos experimentos, incluyendo el análisis de los datos.

“Es una técnica muy poderosa que fue muy aplicable a los experimentos del vuelo espacial. La aislación de ARN mensajero plantea desafíos particulares, ya que es muy sensible a la degradación, pero diseñamos el experimento usando un fijador que lo preservó muy bien.”

Después de viajar millones de kilómetros en el espacio, las invalorables muestras de bacterias fueron analizadas en la Tierra. Para los estudios de los perfiles de proteínas las llevaron al Centro de Toxicología de la Universidad de Arizona, donde midieron el nivel de cada proteína que había sido sometida al vuelo espacial.

“Obtuvimos hermosos datos”

“Fue muy bueno trabajar con el grupo de Arizona y obtuvimos hermosos datos. Hay que tener en mente que nuestro cuerpo de datos de ARN mensajero y expresión de proteínas de este experimento es precioso, ya que es muy raro lograr un análisis comprensivo de la respuesta genética molecular de un organismo a los vuelos”, dijo Nickerson.

De este modo pudo comprobarse que, comparadas con las bacterias que permanecieron en la Tierra, las salmonellas viajeras habían cambiado la expresión de 167 genes. Por otra parte, los estudios de virulencia en animales mostraron que estas bacterias tenían casi tres veces más posibilidades de causar enfermedades, comparadas con las que habían usado como control en la Tierra, señal evidente de la influencia del ambiente espacial en los microbios.

Estos resultados tienen importantes consecuencias para nuestra salud, ya que la salmonella y otras bacterias patógenas vinculadas con los intestinos son las principales causas de enfermedad alimentaria y enfermedades infecciosas, especialmente en los países en desarrollo. El grupo de Nickerson subraya que el Hfq podría ser un importante blanco terapéutico, ya que no hay vacunas para las infecciones por salmonella en humanos.

Los estudios en vuelos espaciales podrían arrojar además nueva luz sobre por qué la salmonella se vuelve cada vez más resistente en nuestro medio a los tratamientos con antibióticos.

El grupo estudió la morfología de la bacteria en respuesta a los vuelos espaciales, y el cambio que observaron parece ser la formación de un biofilm. Según se pudo ver, las muestras que crecieron en la Tierra no mostraron formación de biofilm.

El biofilm es una población de células que crecen unidas a una superficie envueltas en una matriz de exopolisacáridos, lo que las protege del ataque de los antibióticos. Más del 60 por ciento de todas las infecciones microbianas son causadas por estos grupos celulares. Por ese motivo, los biofilms están asociados al incremento de la patogenicidad.

El grupo se embarcará en otra misión espacial de un transbordador, probablemente durante el próximo año, para comprender mejor los riesgos y mecanismos de los agentes de enfermedades infecciosas durante los vuelos espaciales, y estudiar mejor cómo los microbios causan infecciones en la Tierra.