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国際宇宙ステーション外での火星様ストレスの影響下で、外膜ベシクルの体力が変化する
Fitness of Outer Membrane Vesicles From Is Altered Under the Impact of Simulated Mars-like Stressors Outside the International Space Station.
PMID: 32676055 PMCID: PMC7333525. DOI: 10.3389/fmicb.2020.01268.
抄録
非病原性グラム陰性菌が産生する外膜小胞（OMV）は、地球外の極限環境下でのバイオテクノロジーへの応用が期待されているが、安全性の観点から、様々なストレス要因の影響下での生物学的影響を解明する必要がある。しかし、安全性の観点から、様々なストレス因子の影響を受けた場合の生物学的効果を解明する必要があります。宇宙飛行実験では、支配的なコミュニティメンバーであるバイオフィルムコンブチャ微生物コミュニティ（KMC）のモデルサンプルを、国際宇宙ステーション（ISS）の外で模擬火星因子（圧力、大気、紫外線照射）の下に1.5年間曝露しました。本研究では、飛行後のOMVが、サンプルの場所やその他の要因によって膜組成に変化を示すことを明らかにしました。ステロール、脂肪酸（FA）、リン脂質（PL）などの膜脂質は、マース様ストレス因子の下で調節され、飽和FA、短鎖飽和FA、トランスFAの両方が、紫外線照射後と暗黒菌の両方で放出されたOMVの膜に現れた。双性イオン性と陰イオン性のPLの相対的な含有量が変化し、外膜の表面特性が変化し、ポリヌクレオチドとの相互作用能力が低下した。膜の組成の変化はOMVのサイズを大きくすることを促進し、OMVの適合性の変化と相関していた。膜関連酵素の生化学的特性を調べたところ、DNAse, dehydrogenaseの活性が野生型に比べて増加していることがわかった。また、OMVの他の膜関連機能（プロトン蓄積、線状DNAとの相互作用、シナプトソームなど）も宇宙飛行ストレス因子に曝露すると変化した。膜の変化にもかかわらず、小胞は内毒素、細胞毒性、神経毒性を獲得しなかった。以上の結果から、合理的に選択された非病原性グラム陰性菌由来のOMVは、過酷な環境下での生産を目的としたポストバイオティクスや食用粘膜ワクチンのデザインの候補となり得ることが示された。さらに、これらのOMVは、アストロメディシン分野への応用が期待されるデリバリーベクターとしても利用される可能性がある。
Outer membrane vesicles (OMVs), produced by nonpathogenic Gram-negative bacteria, have potentially useful biotechnological applications in extraterrestrial extreme environments. However, their biological effects under the impact of various stressors have to be elucidated for safety reasons. In the spaceflight experiment, model biofilm kombucha microbial community (KMC) samples, in which was a dominant community-member, were exposed under simulated Martian factors (i.e., pressure, atmosphere, and UV-illumination) outside the International Space Station (ISS) for 1.5 years. In this study, we have determined that OMVs from post-flight displayed changes in membrane composition, depending on the location of the samples and some other factors. Membrane lipids such as sterols, fatty acids (FAs), and phospholipids (PLs) were modulated under the Mars-like stressors, and saturated FAs, as well as both short-chain saturated and trans FAs, appeared in the membranes of OMVs shed by both post-UV-illuminated and "dark" bacteria. The relative content of zwitterionic and anionic PLs changed, producing a change in surface properties of outer membranes, thereby resulting in a loss of interaction capability with polynucleotides. The changed composition of membranes promoted a bigger OMV size, which correlated with changes of OMV fitness. Biochemical characterization of the membrane-associated enzymes revealed an increase in their activity (DNAse, dehydrogenase) compared to wild type. Other functional membrane-associated capabilities of OMVs (e.g., proton accumulation, interaction with linear DNA, or synaptosomes) were also altered after exposure to the spaceflight stressors. Despite alterations in membranes, vesicles did not acquire endotoxicity, cytotoxicity, and neurotoxicity. Altogether, our results show that OMVs, originating from rationally selected nonpathogenic Gram-negative bacteria, can be considered as candidates in the design of postbiotics or edible mucosal vaccines for production in extreme environment. Furthermore, these OMVs could also be used as promising delivery vectors for applications in Astromedicine.
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