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1.3.1 : Microbiologie de base - Biologie

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La microbiologie est l'étude des organismes microscopiques et de la façon dont ils interagissent avec les humains et l'environnement.

Objectifs d'apprentissage

  • Évaluer la science de la microbiologie fondamentale; comprendre les aspects fondamentaux de la microbiologie.

Points clés

  • La microbiologie se concentre sur les organismes très petits à l'aide de divers outils, ce qui est un processus effectué par des microbiologistes.
  • Comme les microbes sont essentiels à la vie humaine et que les microbes peuvent provoquer des maladies humaines, la microbiologie est donc très importante.
  • Le nombre de microbes individuels et le nombre de microbes dans et sur la terre est ahurissant dans des proportions.

Mots clés

  • quantification: Le processus de quantification.
  • immunologie: La branche de la médecine qui étudie le système immunitaire du corps.
  • cultivable: Capable d'être cultivé (cultivé dans un environnement approprié).

La microbiologie est l'étude des organismes microscopiques (microbes), qui sont définis comme tout organisme vivant constitué d'une seule cellule (unicellulaire), d'un amas de cellules ou n'ayant aucune cellule (acellulaire). Cela inclut les eucaryotes, tels que les champignons et les protistes, et les procaryotes. Les virus et les prions, bien qu'ils ne soient pas strictement classés parmi les organismes vivants, sont également étudiés.

La microbiologie comprend généralement l'étude du système immunitaire ou de l'immunologie. Généralement, les systèmes immunitaires interagissent avec les microbes pathogènes ; ces deux disciplines se recoupent souvent, c'est pourquoi de nombreux collèges offrent un diplôme jumelé tel que «microbiologie et immunologie». "

La microbiologie est un terme large qui comprend la virologie, la mycologie, la parasitologie, la bactériologie, l'immunologie et d'autres branches. Un microbiologiste est un spécialiste de la microbiologie et de ces sujets connexes. Les procédures microbiologiques doivent généralement être aseptiques et utiliser une variété d'outils tels que des microscopes optiques avec une combinaison de colorants et de colorants. Comme les microbes sont absolument nécessaires pour la plupart des aspects de la vie humaine (y compris l'air que nous respirons et la nourriture que nous mangeons) et sont des causes potentielles de nombreuses maladies humaines, la microbiologie est primordiale pour la société humaine.

La recherche dans le domaine de la microbiologie est en pleine expansion, et au cours des prochaines années, nous devrions voir la demande de microbiologistes dans la main-d'œuvre augmenter. On estime qu'environ un pour cent seulement des micro-organismes présents dans un échantillon environnemental donné sont cultivables et qu'il n'est toujours pas possible de déterminer le nombre de cellules et d'espèces bactériennes sur Terre. Des estimations récentes indiquent que ce nombre pourrait être extrêmement élevé à cinq puissance trente. Bien que les microbes aient été directement observés il y a plus de trois cents ans, la détermination, la quantification et la description précises de ses fonctions sont loin d'être complètes, étant donné la diversité écrasante détectée par des moyens génétiques et indépendants de la culture.


Biotechnologie

Biotechnologie est un vaste domaine de la biologie, impliquant l'utilisation de systèmes vivants et d'organismes pour développer ou fabriquer des produits. Selon les outils et les applications, elle chevauche souvent des domaines scientifiques connexes. À la fin du 20e et au début du 21e siècle, la biotechnologie s'est étendue pour inclure des sciences nouvelles et diverses, telles que la génomique, les techniques de génie génétique, l'immunologie appliquée et le développement de thérapies pharmaceutiques et de tests de diagnostic. Le terme biotechnologie a été utilisé pour la première fois par Karl Ereky en 1919, ce qui signifie la production de produits à partir de matières premières à l'aide d'organismes vivants.


Microbiologie et soins infirmiers

Dans cet article, nous discuterons de la microbiologie en relation avec les soins infirmiers. L'article ci-dessous vous aidera à comprendre les choses suivantes : - 1. Introduction à la microbiologie en soins infirmiers et 2. Aperçu historique de la microbiologie.

1. Introduction à la microbiologie en soins infirmiers:

La microbiologie (Gr. mikros—small, bios—life, logos—science) est la science des minuscules organismes invisibles à l'œil nu, appelés microbes. C'est l'étude des lois de la vie et du développement des micro-organismes, ainsi que du changement qu'ils provoquent dans les organismes animaux et végétaux et dans la matière non vivante.

Selon l'exigence de la société moderne, dans la seconde moitié du XIXe siècle, la microbiologie a été différenciée en microbiologie générale, agricole, vétérinaire, médicale et infirmière. La microbiologie médicale moderne est devenue une science extensive et se divise en bactériologie—science des bactéries pathogènes (bactéries Gr.—bâtonnet) virologie—science de la sérologie des virus infectieux—étude de la réaction entre antigène et anticorps mycologie—étude des champignons pathogènes pour l'homme protozoologie —étude de l'helminthologie des protozoaires pathogènes—étude de l'entomologie des helminthes (vers)—étude des insectes (vecteurs) transmettant des maladies à l'homme parasitologie—étude des parasites (protozoaires et helminthes). En outre, la microbiologie médicale comprend également l'étude des mécanismes d'infection et d'immunité, les méthodes de thérapie spécifique et la prophylaxie des maladies infectieuses.

La microbiologie infirmière est l'application des connaissances de la microbiologie médicale au chevet des patients pendant les soins infirmiers. Les soins infirmiers à l'hôpital et dans la communauté sont d'une importance primordiale pour promouvoir la santé, ils sont considérés comme l'épine dorsale de la santé publique. Pour atteindre la perfection dans cette profession, les infirmières doivent acquérir une solide connaissance de la microbiologie infirmière, car les soins infirmiers sont une profession interdépendante influencée par les récentes avancées scientifiques et technologiques des sciences infirmières.

2. Aperçu historique de la microbiologie:

Dans les temps anciens, au début de la civilisation, l'homme utilisait certains processus causés par les activités vitales des micro-organismes, comme la fermentation du lait, du vin, du jus, etc. Avicenne (980-1037 après JC) pensait que toutes les maladies infectieuses étaient causées par de minuscules créatures vivantes, invisible à l'œil nu et transmis par l'air et l'eau.

La première personne à voir et à décrire les microbes était un scientifique néerlandais, A. Leeuwenhoek 1632-1723. Il fabriquait lui-même des lentilles simples grossissant 160-300 fois. En 1678, il publie sa lettre sur les « animalcule viva » — des animalcules vivants qu'il observe dans l'eau, les fèces, les infusions et les raclures de dents.

Outre sa découverte des microbes, il a dessiné avec précision les microbes. Sa découverte a été le point de départ de l'étude de la population microbienne. Après cette merveilleuse enquête, plus de 150 ans se sont écoulés avant que la recherche d'agents responsables de maladies infectieuses ne soit menée à bien.

Les problèmes pratiques rencontrés contre la bataille des maladies épidémiques ont été résolus par la connaissance de la microbiologie. En 1798, le médecin anglais Edward Jenner (1749-1823) a prouvé que la vaccination des êtres humains avec la variole les protégeait de la variole. Pasteur (1880-1890) a développé des vaccins contre le choléra aviaire, l'anthrax, la rage. Cette découverte a été très utile pour lutter contre ces maladies chez les animaux et les êtres humains.

Dans la première moitié du XIXe siècle, les agents responsables des maladies ont été découverts. En 1839, D. Schoenlein a établi que le favus est causé par un champignon pathogène. En 1843, D. Gruby a révélé l'agent causal de la trichophytose (anneau et teigne). En 1849-1854, A. Pollender, C. Davaine, F. Bravell découvrent le bacille charbonneux.

Dans la seconde moitié du XIXe siècle, les méthodes de microscopie ont été développées à l'aide de meilleurs microscopes. Lors de l'étude des micro-organismes, une grande attention a été accordée aux processus biochimiques, à la capacité des microbes à fermenter des substrats organiques.

Louis Pasteur (1822-1895), scientifique français, chimiste et microbiologiste, a prouvé que la fermentation alcoolique et la putréfaction étaient dues à l'activité des microbes. Il a enquêté sur les agents responsables du choléra aviaire, de l'anthrax et de la rage et a préparé des vaccins. En raison de la nature ubiquitaire des micro-organismes, Pasteur a protégé les milieux nutritifs de la contamination microbienne et a prouvé qu'il n'existe pas de génération spontanée de micro-organismes vivants.

Ses découvertes ont attiré vers lui de nombreux scientifiques. A partir de l'infection microbienne décrite par Pasteur, le chirurgien anglais Joseph Lister (1827-1912) a introduit en chirurgie les principes des antiseptiques (désinfection des plaies par des désinfectants chimiques).

Le médecin allemand Robert Koch (1843-1910) a fait une enquête détaillée sur les infections des plaies et a développé une méthode d'isolement de bactéries pathogènes en culture pure, a attaqué le problème de l'anthrax, a développé la méthode de coloration des bactéries et a également décrit la méthode de culture sur milieu solide. Il a créé une école de microbiologie et ses élèves étaient K. Ebarth, G. Gaffksy, K. Klebs, F. Loeffler, S. Kitasato et bien d'autres.

En 1874, Hansen décrit le bacille de la lèpre. En 1880, Pasteur isola le bacille du choléra aviaire et Eberth observa le bacille de la fièvre typhoïde. Une description adéquate du staphylocoque a été faite par Ogston (1881). Koch (1882) découvre le bacille tuberculeux. En 1885, Frankel a isolé le pneumocoque Escherich, le bacille du colon. Nicolaier a observé le bacille tétanique qui a ensuite été cultivé par Kitasato en 1889. Welch et Nuttall ont décrit le bacille anaérobie connu sous le nom de Clostridium welchii.

En 1894, Kitasato et Yersin ont décrit indépendamment le bacille de la peste qui est maintenant connu sous le nom de Yersinia pestis. En 1896, Van Ermengem a décrit l'IC. botulinum comme agent causal d'intoxication alimentaire. En 1897, Bang découvrit le bacille causant l'avortement bovin. Ainsi, à la fin du XIXe siècle, une grande variété de micro-organismes avait été identifiée et associée à des maladies humaines.

Joseph Lister, professeur de chirurgie à Glasgow, a conçu une méthode de dilution d'une culture bactérienne et de préparation d'une série de sous-cultures avec une petite quantité du liquide d'origine qui a donné une seule cellule bactérienne. Lister a donc été le premier bactériologiste, bien qu'il soit fondamentalement un chirurgien, pour obtenir une culture de bactéries certainement pure.

Ainsi, la révolution microbiologique inaugurée par Pasteur et prolongée par Koch s'est étendue bien au-delà du domaine de la médecine. Il n'y a pas eu d'avancées appréciables dans la connaissance de la bactériologie des maladies de 1875 à 1900 car les techniques mises au point par Pasteur et Koch n'ont été appliquées que sur un très large champ à cette période.

L'étude de l'immunité (branche de la bactériologie), dérivée des études de Pasteur sur le choléra du poulet, l'anthrax et la rage, a absorbé un grand nombre de bactériologistes. Des recherches de Metchnikoff (1845-1916) sur la réaction cellulaire dans l'infection ainsi que des travaux de Buchner, Nuttall, Von Behring (1890), Ehrlich (1854-1915), Bordet et d'autres, des méthodes de diagnostic de laboratoire plus perfectionnées des maladies infectieuses ont été conçues et des vaccins ont été obtenus contre la fièvre entérique, le choléra, la peste et d'autres maladies.

Au XXe siècle, le domaine de la prophylaxie spécifique des maladies infectieuses s'est développé. Ramon (1924-1925) a mis au point une méthode de préparation d'antitoxines (toxines rendues inoffensives par le formol, c'est-à-dire l'anatoxine). La vaccination contre la diphtérie et le tétanos a été réalisée avec succès à l'aide de cette anatoxine (vaccin).

Un agent causal vivant atténué de la tuberculose a été utilisé pour la préparation du vaccin contre la tuberculose (Calmette et Guerin, 1919). De même, le vaccin contre la peste (Giard et Robic, 1931), le vaccin contre la tularémie (Gaisky, 1939) et le vaccin contre la poliomyélite (Sabin, 1954-1958) ont été préparés.

La médecine moderne a obtenu un grand succès dans le traitement des maladies infectieuses, en raison de l'introduction du Salvarsan (Ehrlich), du bactériophage (d’ Herelle), du sulfamide (Domagk et al), de la pénicilline (Flemingetal), de la streptomycine (Waksman et al). Les mécanismes biochimiques de l'hérédité et des variations ont été révélés grâce à la génétique des bactéries et des virus. Un nouveau domaine scientifique, la biologie moléculaire, est né de la génétique des bactéries et des virus.

Le développement de l'étude des maladies infectieuses, de l'épidémiologie, de la virologie, de l'immunologie, de la chirurgie, de l'hygiène etc. est dû au succès de la microbiologie. On peut dire avec certitude que la science médicale n'aurait pas pu progresser sans le développement de la microbiologie.


Revue annuelle de microbiologie

Publication 2020 des rapports de citations de revues

L'édition 2020 du Journal Citation Reports® (JCR) publiée par Clarivate Analytics fournit une combinaison de métriques d'impact et d'influence à partir des données source Web of Science 2019. Cette mesure fournit un rapport entre les citations d'une revue au cours d'une année donnée et les articles pouvant être cités au cours des deux années précédentes.

Téléchargez les classements JCR de l'édition 2020 des revues annuelles au format Excel.

Bilan annuel de : Rang Nom de catégorie Revues classées dans la catégorie Facteur d'impact Half-Life cité Indice d'immédiateté
Chimie analytique 6 Chimie, Analytique 86 7.023 7.1 2.042
Chimie analytique3Spectroscopie427.0237.12.042
Biosciences animales2Zoologie1686.0914.13.125
Biosciences animales17Biotechnologie et microbiologie appliquée1566.0914.13.125
Biosciences animales1Agriculture, produits laitiers et sciences animales636.0914.13.125
Biosciences animales2Science vétérinaire1426.0914.13.125
Anthropologie6Anthropologie903.17515.60.240
Astronomie et astrophysique1Astronomie et astrophysique6832.96310.85.133
Biochimie3Biochimie et biologie moléculaire29725.78712.34.933
Génie biomédical2Génie biomédical8715.5419.01.524
Biophysique3Biophysique7111.6856.63.130
Biologie du cancer53Oncologie2445.4132.02.826
Biologie cellulaire et du développement13Biologie cellulaire19514.66710.50.552
Biologie cellulaire et du développement1Biologie du développement4114.66710.50.552
Génie chimique et biomoléculaire1Chimie appliquée719.5615.60.941
Génie chimique et biomoléculaire5Ingénierie, Chimie1439.5615.60.941
Psychologie clinique1Psychologie, Clinique (Sciences sociales)13113.6927.93.304
Psychologie clinique4Psychologie (Sciences)7713.6927.93.304
La physique de la matière condensée6Physique, Matière Condensée6914.8334.97.273
Criminologie1Criminologie et Pénologie696.3481.40.955
Sciences de la Terre et des planètes4Géosciences, Multidisciplinaire2009.08914.22.727
Sciences de la Terre et des planètes5Astronomie et astrophysique689.08914.22.727
Écologie, évolution et systématique2Biologie de l'évolution5014.04117.40.440
Écologie, évolution et systématique2Écologie16814.04117.40.440
Économie39Économie3713.5916.40.686
Entomologie1Entomologie10113.79614.34.762
Environnement et ressources5Études environnementales (sciences sociales)1238.0659.60.563
Environnement et ressources14Sciences de l'environnement (Sciences)2658.0659.60.563
Économie financière36Affaires, Finances1082.0577.00.167
Économie financière107Économie3712.0577.00.167
Mécanique des fluides1Physique, Fluides et Plasmas3416.30615.49.190
Mécanique des fluides1Mécanique13616.30615.49.190
Science et technologie alimentaires3Science alimentaire et technologie1398.9605.22.615
La génétique5Génétique et hérédité17711.14610.80.500
Génomique et génétique humaine15Génétique et hérédité1777.2439.10.955
Immunologie4Immunologie15819.90010.75.875
Droit et sciences sociales18Loi1542.5887.70.233
Droit et sciences sociales20Sociologie1502.5887.70.233
Linguistique23Linguistique1872.0263.31.000
science maritime2Géochimie et géophysique8516.3596.67.050
science maritime1Biologie marine et d'eau douce10616.3596.67.050
science maritime1Océanographie6616.3596.67.050
Recherche de matériaux19Science des matériaux, Multidisciplinaire31412.53110.62.267
Médicament6Médecine, recherche et expérimental1389.7168.63.829
Microbiologie9Microbiologie13511.00013.70.967
Neurosciences9Neurosciences27112.54713.62.130
Science nucléaire et des particules2Physique, Nucléaire198.7789.81.000
Science nucléaire et des particules3Physique, Particules et Champs298.7789.81.000
Nutrition2Nutrition et diététique8910.89714.20.714
Psychologie organisationnelle et comportement organisationnel2Psychologie, Appliquée8410.9234.41.222
Psychologie organisationnelle et comportement organisationnel2La gestion22610.9234.41.222
Pathologie : mécanismes de la maladie1Pathologie7816.7507.26.500
Pharmacologie et toxicologie1Toxicologie9211.25011.45.793
Pharmacologie et toxicologie5Pharmacologie & Pharmacie27011.25011.45.793
Chimie physique19Chimie, Physique15910.63812.13.667
Physiologie2Physiologie8119.55611.14.769
Phytopathologie4Sciences végétales23412.62312.70.478
Biologie végétale1Sciences végétales23419.54013.04.586
Science politique8Science politique1804.00011.30.750
Psychologie2Psychologie (Sciences)7718.15612.36.367
Psychologie3Psychologie, Multidisciplinaire (Sciences sociales)13818.15612.36.367
Santé publique2Public, Environnement & Occup. Santé (sciences sociales)17016.4639.53.880
Santé publique3Public, Environnement & Occup. Sciences de la santé)19316.4639.53.880
Économie des ressources70Économie3712.7455.80.167
Économie des ressources48Études environnementales (sciences sociales)1162.7455.80.167
Économie des ressources4Économie et politique agricoles (sciences)212.7455.80.167
Sociologie 1Sociologie1506.40017.70.767
Statistiques et son application4Mathématiques, applications interdisciplinaires1065.0953.21.350
Statistiques et son application2Statistiques et probabilités1245.0953.21.350
Virologie2Virologie378.0213.61.172
Sciences de la vision34Neurosciences2715.8973.40.391
Sciences de la vision5Ophtalmologie605.8973.40.391

OBJECTIFS ET PORTÉE DE LA REVUE : Les Revue annuelle de microbiologie, publié depuis 1947, couvre les développements importants dans le domaine de la microbiologie, englobant les bactéries, les archées, les virus et les eucaryotes unicellulaires.


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La biologie

Les deux espèces de punaises de lit (Insecta : Hemiptera : Cimicidae) habituellement impliquées dans les infestations humaines sont Cimex lectularius et C. hémiptère. Bien que rares, les humains peuvent devenir des hôtes accidentels de Cimex espèces de chauves-souris et d'oiseaux.

Cycle de la vie:

Adultes et tous les stades nymphaux de Cimex spp. besoin de prendre des repas de sang d'hôtes à sang chaud, qui sont généralement des humains pour C. lectularius et C. hémiptère, bien que d'autres mammifères et oiseaux puissent être utilisés en l'absence d'hôte humain. Les punaises de lit femelles pondent environ cinq œufs par jour tout au long de leur vie adulte dans un endroit abrité (coutures de matelas, crevasses dans les sommiers à ressorts, espaces sous les plinthes, etc.). Les œufs éclosent au bout de 4 à 12 jours environ en nymphes du premier stade qui doivent prendre un repas de sang avant de muer au stade suivant. Les punaises subiront cinq stades nymphaux ( , , , , ), chacun nécessitant un repas de sang avant de muer au stade suivant, le cinquième stade se transformant en adulte. Les nymphes, bien que dépourvues de bourgeons alaires, ressemblent à des versions plus petites des adultes. Les nymphes et les adultes mettent environ 5 à 10 minutes pour obtenir un repas de sang complet. Les adultes peuvent prendre plusieurs repas de sang sur plusieurs semaines, en supposant qu'un hôte à sang chaud soit disponible. L'accouplement se produit hors de l'hôte et implique une forme unique de copulation appelée "insémination traumatique", par laquelle le mâle pénètre dans la paroi abdominale de la femelle avec ses organes génitaux externes et insémine dans sa cavité corporelle. Les adultes vivent de 6 à 12 mois et peuvent survivre pendant de longues périodes sans se nourrir.


ÉTUDES MICROBIOLOGIQUES DANS L'ENVIRONNEMENT SPATIAL OU UTILISANT DES INSTALLATIONS SIMULANT LES CONDITIONS DE L'ESPACE

Limite supérieure de la biosphère

L'atmosphère, même jusqu'à une hauteur de 30 km, présente une série de défis pour la vie (225). La quantité absolue de rayonnement solaire et la contribution proportionnelle des UVB et des UVC augmentent (Fig. ​ (Fig.3), 3 ), qui sont toutes deux particulièrement dangereuses pour les biomolécules, notamment les acides nucléiques et les protéines, qui ont un pic d'irradiance absorptions à 260 et 280 nm, respectivement (Fig. ​ (Fig.1). 1 ). De plus, les basses températures et pressions à 29 km au-dessus de la surface de la Terre sont similaires à celles de Mars et créent des problèmes dus au gel et à la dessiccation. Enfin, la disponibilité des nutriments et la composition gazeuse de l'atmosphère créent des défis supplémentaires pour la vie.

Essentiellement, la survie des microbes en suspension dans l'air dépend de deux facteurs indépendants : (i) l'étendue des dommages infligés au microbe en vol et (ii) la mesure dans laquelle ces dommages peuvent être réparés par le microbe blessé (pour un examen, voir la référence 43).

La survie des microbes en suspension dans l'air ne doit pas être confondue avec la croissance et la division en vol. En fait, l'une des questions critiques à laquelle il reste encore à répondre sans équivoque est la suivante : les microbes se métabolisent-ils, se développent-ils et se divisent-ils dans l'air ? S'ils le font, alors l'atmosphère peut être considérée comme un véritable habitat plutôt que comme un simple endroit où ils sont des intrus de passage. Bien qu'il ait été rapporté que Serratia marcescens pourrait subir une division cellulaire alors que dans une gouttelette aqueuse contenant des nutriments de 2 à 6 μm de diamètre (52, 53, 54, 240), les résultats ne sont pas sans équivoque. Le glucose, constituant du milieu, est un sucre réducteur pouvant subir des réactions de Maillard non enzymatiques qui consomment de l'O2 et libérer du CO2, confondant les résultats de l'étude, qui reposait sur O2 consommation et CO2 production en tant qu'indicateurs indirects du métabolisme (44).

Compte tenu de l'hostilité apparente de l'environnement, l'atmosphère terrestre juste au-dessus de la surface contient une variété de micro-organismes aéroportés qui proviendraient du sol, des lacs, des océans (20, 75, 82, 127, 196, 204, 221, 271), animaux (21), plantes (151), stations d'épuration (1, 168, 182), équarrissages (237), systèmes de récupération des déchets solides (145), sites d'irrigation par pulvérisation d'eaux usées (25) et fermentation et autres procédés biotechnologiques ( 36, 43). Le nombre de microbes aéroportés viables récupérés de l'atmosphère semble varier selon les saisons, les plus grands nombres étant obtenus pendant l'été et l'automne et les plus bas en hiver (124, 148, 234). Étant donné les sources potentielles de microbes en suspension dans l'air énumérées précédemment qui changent de manière significative avec les saisons, les changements observés peuvent être liés au climat, mais ils sont incertains. Les distances que les organismes en suspension dans l'air peuvent parcourir ont été analysées pour les latitudes moyennes, modélisées (p. Des variations temporelles et spatiales du nombre et des types de microbes dans l'atmosphère ont également été trouvées (par exemple, voir les références 67 et 234). Par exemple, un plus grand nombre de champignons viables ont été trouvés dans la partie ouest et sud-ouest des États-Unis que dans la région nord-est (157, 234). Mancinelli et Shulls (157) ont montré une corrélation positive statistiquement significative entre le nombre total de bactéries viables isolées de l'air urbain et la concentration de particules en suspension, et ils ont suggéré que les bactéries présentes dans l'air peuvent être protégées du dessèchement par l'eau adsorbée sur le surfaces de ces particules en suspension.

Les études sur la biologie de la haute atmosphère, c'est-à-dire la haute troposphère et la basse stratosphère (5 à 20 km), remontent à la fin des années 1800. Mais ces études sont peu nombreuses en raison du peu d'opportunités d'échantillonnage. Dans la plupart des cas, des ballons ont été utilisés pour atteindre ces altitudes (223). Les organismes collectés comprenaient des champignons et des bactéries sporulées (par exemple, voir les références 46, 88 et 223). Il convient de noter que ces premières études n'étaient pas bien contrôlées et que ce qui a été rapporté peut ne pas être une représentation précise de ce qui se trouvait dans la haute atmosphère. Des études ultérieures ont signalé une plus grande variété de microbes, y compris des espèces de Microcoque et Staphylocoque et les espèces liées à Déinocoque, ainsi qu'une variété de bactéries pigmentées (28, 74, 83, 84, 120, 258). À l'aide de fusées météorologiques, des champignons et des bactéries pigmentées ont été isolés jusqu'à 77 km, la plus haute altitude à partir de laquelle des microbes ont été isolés (120). Une étude récente de la biologie de la haute atmosphère a été menée à l'aide d'un ballon survolant l'Inde (235). Des échantillons d'air ont été prélevés à 24, 28 et 41 km au-dessus de la surface de la Terre, à l'aide d'un échantillonneur cryogénique et de filtres Millipore. Seulement quatre espèces de Bacille ont été isolés dans cette étude. Les études précédentes, cependant, utilisaient toutes des méthodes de culture pour déterminer le nombre de microbes. Il a été estimé que les méthodes de culture ne permettent d'étudier qu'entre 0,1 et 10 % de la flore microbienne totale dans un environnement donné (79a). Par conséquent, il est supposé qu'un certain nombre de microbes peuvent exister dans la haute atmosphère que nous n'avons pas la capacité de cultiver et qui passent donc inaperçus et non comptés dans ces études.

Rôle de la gravité dans les processus biologiques de base

Les résultats des premières expériences microbiologiques dans l'espace sont résumés par Zhukov-Verezhnikov et al. (269) comme suit : “on vols similaires à l'orbite du vaisseau spatial Vostok I, il n'y a pratiquement aucun effet des facteurs capables d'action primaire sur les cellules isolées. Les premières analyses théoriques de Pollard (201) ont également conclu que le seuil pour que la microgravité produise un effet sur les cellules était d'environ 10 μm de diamètre, ce qui est plus gros que la plupart des cellules bactériennes. Un examen de la littérature des décennies qui ont suivi, cependant, révèle qu'une variété de différences dans la croissance et le comportement microbiens ont en fait été observées à la suite des vols spatiaux, les résultats étant vraisemblablement attribuables à certains aspects de l'apesanteur (132, 146, 186, 200, 257).

Alors que la majorité de ces expériences ont rapporté des réponses de base principalement similaires à travers un certain nombre d'espèces bactériennes, à savoir une phase de latence réduite et une augmentation du nombre de populations de cellules finales dans l'espace, des incohérences inexpliquées s'écartant des résultats typiques ont également été occasionnellement signalées par différents enquêteurs au fil des ans. . Une tendance intéressante identifiée par une analyse détaillée récente de la littérature propose que la motilité cellulaire puisse être la variable clé responsable des résultats apparemment disparates (16). En catégorisant les résultats en termes de motilité cellulaire, un paramètre pas toujours clairement indiqué et parfois fonction du milieu de croissance, il a été constaté que les expériences menées avec des cellules bactériennes immobiles rapportaient les différences typiquement observées dans la cinétique de croissance, tandis que celles utilisant des souches mobiles avaient tendance à pour conclure qu'aucun effet de l'espace ne s'est produit. Cette corrélation donne un aperçu des mécanismes de cause à effet sous-jacents qui peuvent théoriquement être attribués à un événement déclenché par la gravité. En l'absence de motilité, il est suggéré que le fluide entourant la cellule reste au repos, réduisant ainsi le transfert de masse entre la cellule en suspension et son environnement fluide (135). Ceci, à son tour, peut entraîner une altération de la composition chimique du fluide entourant la cellule, ce qui provoque alors une réponse biologique spécifique. L'action flagellaire associée à la motilité est présumée suffisante pour mélanger la couche limite quiescente autour de la cellule, éliminant ainsi de manière prévisible l'effet cumulatif présumé causé par l'apesanteur. Au moins une étude antérieure a testé cette hypothèse directement (248), les résultats corroborant l'explication ci-dessus.

Cette relation biophysique modifiée entre la cellule et son environnement est souvent qualifiée d'effet indirect des vols spatiaux. En tant que tel, il ne contredit pas les prédictions antérieures suggérant que les bactéries sont trop petites pour être affectées directement par la microgravité, il étend plutôt les phénomènes dépendants de la gravité vers l'extérieur pour inclure la cellule ainsi que son environnement environnant en tant que système complexe. Bien que les mécanismes d'action exacts n'aient pas encore été complètement déterminés, la cascade d'événements gravitationnelle proposée peut être résumée comme (i) commençant par une force physique modifiée agissant sur la cellule et son environnement lors de l'exposition à la microgravité (le &# x0201cgravity trigger&# x0201d), entraînant (ii) une réduction du transfert extracellulaire de nutriments et de sous-produits métaboliques se déplaçant vers et hors de la cellule, ce qui par conséquent (iii) expose la cellule à un environnement chimique modifié, dont la somme donne finalement lieu à (iv) une réponse biologique observée qui diffère de ce qui se produit dans des conditions normales (1 × g). Les résultats d'études publiées au cours de la dernière décennie fournissent des informations supplémentaires sur les phénomènes physiques sous-jacents ainsi que sur la propagation génétique de ces effets. En outre, la recherche spatiale s'oriente de plus en plus vers des applications pharmaceutiques commerciales, telles que la production de métabolites secondaires (antibiotiques), le contrôle de la propagation d'agents pathogènes multirésistants et, plus récemment, le développement de vaccins.

Installations pour étudier les effets de la gravité. (i) Bioréacteurs à l'intérieur de l'habitat du vaisseau spatial.

Une grande variété de charges utiles a été développée et pilotée par de nombreuses équipes internationales pour soutenir les études de biologie cellulaire et moléculaire à l'intérieur de l'environnement pressurisé de l'engin spatial. En règle générale, les systèmes doivent tenter d'imiter autant que possible les conditions d'un laboratoire terrestre typique, tout en respectant les préoccupations de sécurité liées à la manipulation et au mélange d'échantillons biologiques potentiellement dangereux et d'autres réactifs dans l'habitat de l'engin spatial et ce, sous une masse, une puissance et une puissance considérables. contraintes de volume (130). Des résumés des installations expérimentales biologiques et autres, plus complètes, actuelles de l'ISS sont disponibles sur les sites Web suivants de la National Aeronautics and Space Administration (NASA) et de l'Agence spatiale européenne (ESA) : http://generations.arc.nasa.gov/generations.php ?pgϟlt_hdw, http://www.nasa.gov/mission_pages/station/science/experiments/Facility_Cat.html, et http://www.esa.int/SPECIALS/Columbus/ESAAYI0VMOC_0.html.

(ii) En orbite 1 × g commandes de vol.

Dans de nombreux cas, des centrifugeuses embarquées et du matériel de contrôle au sol similaire à un vol sont utilisés pour tenter de permettre aux chercheurs d'isoler plus définitivement la gravité réduite en tant que variable expérimentale indépendante. Un exemple est le microscope centrifuge à rotation lente NIZEMI (Niedergeschwindigkeits-Zentrifugen-Mikroskop) qui a été utilisé lors des missions Spacelab pour déterminer le seuil de perception de la gravité dans les systèmes unicellulaires (72). L'utilisation d'un en orbite 1 × g centrifugeuse en tant que témoin peut fournir une méthode idéale pour s'assurer que le groupe expérimental est exposé aux mêmes facteurs environnementaux spatiaux globaux, à l'exception de la microgravité. Même cette simulation de 1 × g en orbite peut cependant introduire des variables, telles que des vibrations ou des forces de cisaillement inertielles résultant d'une rotation à vitesse constante sur une plage de valeurs de rayon d'échantillon efficace lorsqu'un récipient de culture à fond plat est utilisé (255). Pour prendre en compte ce phénomène, le matériel en orbite doit être conçu avec le 1 × g conteneur de contrôle 𠇋ottom” courbé pour correspondre à l'arc du rayon centrifugé, ce qui introduit encore une autre variable expérimentale qui doit être prise en compte dans les résultats en les comparant à un ensemble de données au sol (vrai 1 × g) échantillons.

(iii) Analogues de vol spatial au sol.

En plus des vols spatiaux réels, diverses méthodologies au sol sont souvent utilisées pour simuler différents attributs de l'apesanteur. L'un des dispositifs les plus couramment utilisés pour fournir un modèle de microgravité est le clinostat ou un dérivé appelé bioréacteur à paroi rotative (RWV) (87, 131). Les deux appareils utilisent une rotation normale à l'attraction gravitationnelle de la Terre pour annuler efficacement la sédimentation cumulative de particules ou de cellules en suspension dans un milieu visqueux. Ni l'un ni l'autre, cependant, ne peut reproduire entièrement l'absence concomitante de déformation structurelle, de déplacement de composants intercellulaires ou de transfert de masse réduit à travers le liquide extracellulaire qui se produisent tous en apesanteur. Cependant, un état d'immobilité relative d'une cellule par rapport à son fluide en vrac environnant peut théoriquement être atteint par clinorotation, car le fluide subit une rotation du corps rigide et les cellules restent constamment suspendues par la réorientation continue. Le bioréacteur RWV, d'autre part, tout en maintenant les cellules en suspension à faible cisaillement lorsqu'elles tombent continuellement à travers le milieu sous 1 × g conditions, peut également induire à dessein une perfusion de nutriments et de déchets de la culture. Par conséquent, un clinostat est généralement utilisé pour tenter de reproduire les conditions de fluide au repos et sans agitation réalisables en orbite, tandis que le bioréacteur RWV crée un environnement fluide mélangé de manière souhaitable qui est optimisé pour la culture en suspension et la croissance des tissus sans induire de forces de cisaillement associées à l'agitation. ou en remuant. D'autres techniques d'exploration d'environnements inertiels modifiés alors qu'ils sont encore sur Terre, telles que la chute libre temporaire, la flottabilité neutre et la lévitation diamagnétique (79), peuvent également fournir des informations supplémentaires sur la façon dont la gravité affecte les systèmes microbiens.

Bien que chacune de ces techniques de simulation de vols spatiaux offre l'opportunité d'isoler le rôle de la gravité dans les divers processus biologiques, elles présentent également des facteurs de complexité de conception expérimentale qui doivent être pris en compte lors de l'interprétation des résultats. Par exemple, lors de l'utilisation d'un clinostat ou d'un bioréacteur rotatif, le paramètre initial qui doit être défini est une vitesse de rotation appropriée. Pour les cultures en suspension, si l'échantillon est tourné trop rapidement, les particules ou les cellules dans le milieu seront centrifugées vers l'extérieur vers la paroi du récipient, et si elle est tournée trop lentement, elles sédimenteront sensiblement vers le bas pendant la période d'une rotation, et à extrême, ils vont simplement rouler sur le fond du conteneur (136). Aucune des deux conditions ne représente alors la quiescence complète obtenue en microgravité. Par conséquent, des recherches considérables ont visé à définir un taux de rotation optimal pour maintenir une collection de particules en suspension dans un état presque immobile, comme cela serait expérimenté en microgravité réelle. Cependant, si les particules ou les cellules en suspension sont de différentes tailles et/ou densités, alors la vitesse de rotation ne peut pas être ajustée à une vitesse de sédimentation donnée comme pour un mélange uniforme, et la suspension résultante subira divers degrés de mouvement relatif entre les différentes parties. par rapport à l'environnement fluide. De plus, les organismes vivants ajoutent à la complexité des réactions métaboliques, ce qui signifie que les composants extracellulaires excrétés et absorbés vers et depuis le milieu environnant doivent également être pris en compte dans l'équilibre des forces agissant sur le système en rotation. Begley et Kleis (12) ont caractérisé le transport et le mélange de cellules et d'oxygène perfusé dans un récipient à paroi rotative en utilisant des modèles numériques. Les résultats sont présentés pour le transport de l'oxygène pour les densités cellulaires et les taux de consommation typiques des cellules cancéreuses du côlon. Il a été déterminé que l'augmentation du taux de rotation différentiel (microgravité) augmentait le mélange et le transport, tandis que l'augmentation du taux de rotation moyen (système au sol) supprimait les deux. Il a été montré que le transport de masse augmentait de manière comparable avec un taux de perfusion croissant dans les deux conditions, avec des rendements décroissants atteints pour les gammes testées au-dessus de 5 à 10 ml/min. Même en opérant près du débit de perfusion minimum théorique, seule une petite fraction du volume total s'est avérée fournir moins que le niveau d'oxygène requis.

Il faut reconnaître que les simulations au sol, bien que produisant généralement des résultats empiriques qui tendent à suivre les tendances des réponses microbiennes réelles des vols spatiaux, ne reproduisent pas entièrement les mêmes mécanismes sous-jacents (7, 8, 15, 118, 126). Être conscient de cette différence, cependant, peut en fait être utilisé pour obtenir l'avantage d'isoler plus complètement les actions principales indépendantes de la gravité consistant à conférer un poids et/ou un mouvement à une masse en fonction de la densité relative. Contrastant soigneusement les conditions physiques de la microgravité réelle, de la microgravité simulée et de 1 × g contrôles offre donc la possibilité d'identifier de manière plus concise des voies de cause à effet spécifiques liant l'influence de la gravité aux résultats expérimentaux observés.

(iv) Analyses numériques des effets de la microgravité.

En complément des études empiriques, l'analyse numérique peut également fournir des informations utiles pour définir le rôle que joue la gravité au niveau subcellulaire. Une étude menée par Liu et al. (152) ont caractérisé les forces et les trajectoires que subissent les particules en suspension dans un environnement en rotation en fonction de la vitesse de rotation et de la taille et de la densité des particules. Gao et al. (77) ont développé et validé des modèles informatiques pour estimer les taux de transfert de masse externes pour un système biophysique plutôt que biologique pur, où les réactions peuvent être plus facilement prédites et surveillées. En utilisant différentes espèces chimiques qui réagissent avec les surfaces de particules de verre bioactives en suspension dans un liquide dans un bioréacteur en rotation, ils ont montré que la microgravité simulée dans un bioréacteur en rotation améliorait le taux de modification de surface des billes en suspension par rapport à celles qui ont pu sédimenter au fond. surface d'un flacon statique. Cette étude a mis en évidence l'importance d'isoler le normalement (1 × g) des forces simultanées de convection, qui dépendent de la gravité, et de diffusion, qui est indépendante de la gravité, sur l'efficacité nette du transfert de masse extracellulaire. L'interaction subtile entre la cellule et son environnement devient de plus en plus importante et plus compliquée, à mesure que les effets de la motilité cellulaire sont introduits.

Théories et mécanismes de cause à effet.

La gravité induit un poids et/ou un mouvement relatif dépendant de la densité sur une masse. Si une réponse donnée doit être attribuée à la microgravité, il va de soi que le stimulus initial qui donne finalement lieu au résultat biologique modifié observé doit provenir d'une base physique impliquant le poids ou le mouvement (253). En tant que tels, les effets de la gravité sur les micro-organismes doivent, en principe, être attribuables à l'élimination d'un certain poids ou mouvement normalement présent provoquant un changement relatif entre les composants à l'intérieur de la cellule ou entre la cellule et son environnement.Par conséquent, l'identification d'un déclencheur de gravité est, par définition, la première étape d'une cascade complexe d'événements de cause à effet propagés par des voies mécaniques ou biochimiques qui aboutissent à une réponse biologique mesurée. Pour les microbes unicellulaires, les composants intracellulaires sont d'une densité et d'une taille si uniformes qu'il a été théoriquement démontré très tôt qu'il était peu probable qu'ils subissent une sorte d'impact physique relatif d'une ampleur suffisante pour permettre une détection directe de la gravité (201, 202). De plus, l'influence simultanée et significative du mouvement brownien, qui ne dépend pas de la gravité, suggère également que les cellules microbiennes ne sont pas susceptibles de discerner la moindre influence de la gravité à un moment donné, bien que l'effet cumulatif de la sédimentation puisse entraîner des conditions environnementales modifiées. , affectant ainsi indirectement le métabolisme microbien (137). Par conséquent, la manière dont la microgravité modifie le comportement de in vitro les cultures microbiennes en suspension sont très probablement attribuables à la réponse de la cellule aux changements de l'environnement, y compris les phénomènes de transport régissant l'absorption des nutriments, la dispersion des déchets et les processus de détection du quorum (135). À mesure que la taille des cellules augmente au-delà d'environ 10 μm, comme la paramécie, les phénomènes internes deviennent plausibles et la recherche vise à déterminer comment l'organisme peut percevoir et réagir à la gravité (90).

(i) Transfert de masse extracellulaire.

Les effets indirects de la gravité agissant sur le métabolisme microbien sont définis comme ceux qui sont attribuables à une cascade d'événements de cause à effet dans l'environnement extracellulaire qui régissent le comportement cellulaire. N'importe quel nombre de phénomènes physiques peuvent influencer la croissance bactérienne sans agitation, 1 × g conditions (135). Les cultures en suspension sédimentent vers le bas sous l'attraction omniprésente de la gravité, subissant un certain niveau de force de cisaillement lorsqu'elles se déplacent à travers le fluide visqueux résistant jusqu'à atteindre le fond du conteneur, auquel point elles commencent à reposer sur d'autres cellules, introduisant par conséquent un environnement local cumulatif de sous-produits et compétition croissante pour les nutriments dans la couche limite au-dessus des cellules.

De plus, le microenvironnement entourant une cellule est composé d'un équilibre dynamique de nutriments absorbés du milieu en vrac dans la cellule à travers sa membrane et de déchets excrétés de la cellule et dilués vers l'extérieur via des processus de transfert de masse extracellulaire entraînés par la diffusion et la convection sous 1 × g conditions. L'environnement de gravité réduite de l'espace élimine essentiellement la convection entraînée par la masse, limitant ainsi ce transfert extracellulaire de molécules vers et depuis la surface de la cellule à la diffusion uniquement, et peut également altérer la fluidité du transport membranaire. Au fur et à mesure que les cellules se rassemblent sur le fond du conteneur à 1 × g, il a été démontré que leur action cumulative sur la couche limite du fluide crée une remontée de fluide due à la densité car il devient moins dense et finalement instable en raison de la consommation de nutriments. Le degré auquel cette réduction agit sur des cellules individuelles, cependant, n'a pas encore été complètement établi (17, 123).

(ii) Influence sur la mobilité/motilité cellulaire.

Les effets environnementaux de la microgravité peuvent être examinés sur Terre, dans une certaine mesure, en utilisant diverses techniques de simulation de la microgravité en rotation, comme décrit ci-dessus. Étant donné que dans ces conditions analogiques de vol spatial terrestre, la gravité reste une influence constante, l'état presque immobile de la cellule par rapport au milieu environnant obtenu à partir d'une réorientation continue est considéré comme le principal facteur provoquant les réponses modifiées. Une approche complémentaire pour évaluer les effets de la sédimentation cellulaire réduite sur le comportement de croissance d'une manière différente a été menée en utilisant la production de vésicules de gaz Escherichia coli des cultures génétiquement modifiées pour avoir une flottabilité neutre (147). En comparaison avec les résultats clinostat relatifs à 1 × g conditions sans agitation, cette expérience a montré qu'un comportement comparable pouvait être obtenu en immobilisant partiellement les cellules par une densité adaptée avec le milieu, suggérant en outre que le rôle dominant de la gravité à cette échelle est de modifier indirectement l'environnement extracellulaire, et non d'agir directement sur les cellules (15).

En plus des forces externes agissant sur une cellule et/ou son environnement, la motilité peut également exercer une influence sur le fluide local entourant une cellule en raison du mélange résultant de l'action flagellaire et du retrait de la cellule de son emplacement par ailleurs inactif. Bien que la plupart des rapports d'études spatiales remontant aux années 1960 indiquent que la croissance bactérienne est généralement améliorée dans l'espace, plusieurs exceptions au fil des ans ont créé une controverse et des explications compliquées sur la façon dont, ou même si, la microgravité affecte les micro-organismes. Comme indiqué ci-dessus, une récente revue détaillée de la littérature a montré une forte corrélation entre la motilité cellulaire et l'effet du vol spatial (y compris les analogues de la microgravité) sur le nombre final de cellules des cultures bactériennes en suspension. En général, pour les conditions propices à la motilité cellulaire, les différences typiques observées dans l'espace, telles qu'une phase de latence raccourcie et une augmentation du nombre de cellules finales, ne se sont pas produites si des souches mobiles étaient utilisées dans l'expérience (16). Pour les cellules immobiles, le transfert de masse extracellulaire de nutriments et de déchets en microgravité est réduit à la diffusion uniquement, il est donc raisonnable d'envisager cela par rapport à 1 × g contrôles, les échantillons spatiaux connaîtraient un environnement très différent, modifiant ainsi leur croissance et leur comportement. Si l'action flagellaire est introduite, cependant, cette différence n'est plus présente, puisque les deux groupes connaissent un mélange similaire au niveau de l'environnement local, il va donc de soi qu'aucun effet du vol spatial ne serait présenté. Pris collectivement avec d'autres résultats apparemment régis de la même manière par la motilité, cette corrélation fournit un aperçu supplémentaire de la façon dont la microgravité dicte la relation entre la cellule et son environnement, renforçant encore l'explication mécaniste selon laquelle la modification indirecte du transfert de masse est responsable des changements observés dans l'espace. L'identification de cette tendance subtile illustre comment des facteurs expérimentaux de confusion, tels que la motilité cellulaire et le milieu de croissance, peuvent compliquer notre compréhension des mécanismes par lesquels la gravité réduite affecte profondément les systèmes biologiques. Pour être complet, les futures études sur les vols spatiaux (et les analogues de microgravité) devraient caractériser de manière approfondie le niveau de motilité bactérienne pour la culture à l'étude et tirer des conclusions sur les résultats en conséquence.

(iii) Modifications membranaires.

Au-delà de l'événement déclencheur de gravité initial, la membrane cellulaire, qui isole les composants internes de l'environnement environnant, est la prochaine étape logique à examiner dans la voie de cause à effet en cascade. Goldermann et Hanke (81) ont montré que la gravité peut influencer l'ouverture de la fraction porine dans les membranes reconstituées dans des conditions de chute libre (dans une tour de chute) et d'hypergravité (dans une centrifugeuse). Cela suggère que la barrière membranaire entre les mondes biologique et physique peut être affectée en fonction du niveau de gravité, donnant lieu à des taux d'absorption ou d'excrétion modifiés. Huitema et al. (118) ont signalé une augmentation de E. coli fluidité membranaire lorsque les cellules étaient cultivées dans des conditions de microgravité simulée, mais England et al. (60) n'ont trouvé aucune différence pour une espèce différente (Pseudomonas aeruginosa). Il a également été suggéré qu'une fluidité accrue de la membrane en microgravité pourrait être responsable d'une résistance accrue aux médicaments.

(iv) Expression et échange de gènes.

Plus en amont dans la voie métabolique, les altérations physiques initiales dépendantes de la gravité de la cellule peuvent influencer sa génétique. Une grande partie de la recherche actuelle se concentre sur l'expression différentielle des gènes dans le but de corréler les réponses à l'apesanteur (ou à l'apesanteur simulée) à des gènes spécifiques régulés à la hausse ou à la baisse. Bien que ce domaine encore en pleine maturation n'ait pas encore identifié avec certitude quels gènes sont responsables des diverses réponses dépendant de la gravité observées, une base de données croissante de relations est en cours de documentation (2, 242, 243). Wilson et al. (264) ont effectué une analyse de microréseau sur Salmonelle des cellules cultivées dans des conditions de microgravité simulée et ont découvert que la surexpression de 100 gènes était significativement altérée, y compris les gènes codant pour les régulateurs transcriptionnels, les facteurs de virulence, les enzymes synthétiques lipopolysaccharides (LPS) et les enzymes d'utilisation du fer. Les progrès dans ce domaine à partir des récentes expériences de vol spatial sont susceptibles d'élargir considérablement notre compréhension de la façon dont la microgravité régit en fin de compte le comportement microbien sur une base génétique.

Un autre facteur contributif à cet égard est celui du transfert génétique. DeBoever et al. (48) ont observé que l'échange de plasmides entre les souches bactériennes Gram-positives se produisait dans le vol spatial et que l'échange plasmidique se produisait plus efficacement que dans l'expérience de contrôle au sol, mais aucune différence significative n'a été observée entre le vol spatial et le contrôle au sol pour une bactérie Gram-négative. souche. En plus de comprendre comment l'expression génétique est altérée dans l'espace, des expériences supplémentaires sont également nécessaires pour évaluer pleinement l'occurrence et l'implication de l'adaptation et de l'évolution microbiennes via des éléments génétiques mobiles tels que les phages, les plasmides et les transposons, qui jouent un rôle crucial dans l'adaptation bactérienne. et évolution.

Efficacité biologique du rayonnement cosmique

Une connaissance approfondie des effets biologiques du champ de rayonnement dans l'espace est nécessaire pour évaluer les risques radiologiques pour les humains dans l'espace. Pour obtenir ces connaissances, des micro-organismes, des plantes et des animaux ont été étudiés en tant que systèmes modèles radiobiologiques dans l'espace et dans des accélérateurs d'ions lourds au sol (examinés dans les références 94, 98, 100, 101 et 128).

Le rayonnement interagit avec la matière principalement par l'ionisation et l'excitation des électrons dans les atomes et les molécules. Les effets biologiques sont induits soit par l'absorption directe d'énergie par des biomolécules clés, telles que les protéines et les acides nucléiques, soit indirectement par l'intermédiaire d'interactions de ces molécules avec les radicaux radio-induits, qui sont produits, par exemple, par radiolyse de l'eau cellulaire (Fig. &# x200B (Fig.4).4). Avec une densité croissante d'ionisations, le nombre et l'ampleur des dommages locaux dans les cellules augmentent. Ceci est particulièrement valable pour les particules HZE de GCR, qui produisent des amas d'ions et de radicaux le long de leur passage à travers une cellule. Les concepts de microdosimétrie considèrent la distribution radiale de l'énergie autour du noyau de la trace de la particule comme un paramètre critique (33). Dans ce cas, la section efficace d'action, la structure de la voie et l'énergie déposée dans les sites sensibles du système biologique doivent être connues. Les endospores bactériennes ayant un noyau cytoplasmique avec une section transversale géométrique de 0,2 à 0,3 μm 2 sont de bons organismes de test pour les études microdosimétriques.

Chaîne d'événements radiobiologiques qui commence dans une cellule microbienne après exposition à des rayonnements ionisants, avec deux voies d'interaction alternatives, entraînant des dommages directs ou indirects dus aux rayonnements. (Modifié à partir de la Fig. ​ Fig.7-05 7 -05 dans la référence 101 avec l'aimable autorisation de Springer Science and Business Media.)

Dans diverses expériences spatiales, des spores de Bacillus subtilis ont été utilisés comme dosimètres biologiques à l'échelle μm pour déterminer l'efficacité biologique radiale le long des trajectoires des particules HZE individuelles. A cet effet, les expériences Biostack ont ​​été développées. Le concept expérimental Biostack consistait en un sandwich de monocouches de spores bactériennes montées sur des feuilles de nitrate de cellulose en tant que détecteurs visuels de piste (29, 94). Après retour de l'espace (Apollo Soyouz Test Project et mission Spacelab 1), la viabilité de chaque spore au voisinage de la trajectoire d'une particule HZE a été analysée séparément par microscopie après gravure unilatérale du détecteur de traces, micromanipulation des spores sur gélose nutritive et incubation. Un taux de fluence quotidien de 0,3 à 0,7 particule HZE/cm 2 , avec un taux de transfert d'énergie linéaire (LET) de � keV/μm, a été mesuré en comptant les traces dans les détecteurs. LET est une mesure du taux de perte d'énergie par unité de longueur d'une piste de particules dans la matière. Figure ​ Figure5 5 montre la fréquence des spores inactivées en fonction de la distance radiale du trajet des particules HZE, c'est-à-dire le paramètre d'impact, et des analyses statistiques. Les données suggèrent deux effets complémentaires pour l'inactivation des spores par les particules HZE : rayons) et un effet à longue portée qui s'étend jusqu'à une distance de 3,8 μm, pour lequel d'autres mécanismes, tels que des ondes de choc ou des événements thermophysiques, ont été suggérés (examinés dans les références 98, 101 et 185). Il convient de noter que dans ces zones extérieures, les spores, d'un diamètre d'environ 1 μm, n'ont pas été directement touchées par la particule HZE. Un tel phénomène, qu'un effet biologique est induit dans des cellules qui ne sont pas directement traversées par une particule chargée mais qui se trouvent à proximité immédiate de cellules connues sous le nom d'effet « bystander » x0201d, a depuis été observé pour une variété de facteurs biologiques. les points finaux, tels que l'inactivation, la mutagenèse et les aberrations chromosomiques dans les cellules de mammifères identifiés à l'aide de microfaisceaux étroits de rayonnement de particules (examinés dans la référence 176). Récemment, des effets de proximité ont également été trouvés in vivo chez des souris partiellement exposées aux rayons X (160). Les effets indirects peuvent avoir de graves conséquences dans l'évaluation des risques d'effets nocifs sur la santé induits par les rayonnements pour les astronautes, car ils peuvent augmenter le risque d'induction de cancer (178, 198).

Fraction nette intégrale de spores inactivées de B. subtilis en fonction du paramètre d'impact, c'est-à-dire la distance radiale de la trajectoire des particules HZE, et la fraction intégrale de toutes les spores étudiées dans cette zone. Les résultats proviennent de Biostack III sur le projet de test Apollo Soyouz (ASTP). (Modifié à partir de la référence 61 avec la permission d'Elsevier.)

Afin de comparer les résultats de l'expérience spatiale Biostack avec ceux obtenus dans les expériences d'irradiation dans les accélérateurs d'ions lourds, les sections efficaces d'inactivation, σje, ont été déterminés (94). σje, qui est une surface, donne la probabilité qu'une seule spore soit inactivée par une particule. σje est obtenu à partir de la pente de la partie exponentielle des courbes d'inactivation de fluence. La figure ​ La figure 6 6 montre que (i) σje valeurs augmentées avec le LET et le Z des particules, (ii) σje les valeurs pour les spores spatiales (expériences Biostack) étaient environ 20 fois plus élevées que celles trouvées pour les spores irradiées dans des accélérateurs d'ions lourds avec des ions de LET comparable (à partir des courbes d'inactivation de fluence), et (iii) σje les valeurs pour les spores spatiales (expériences Biostack) étaient environ 20 fois plus élevées que la section transversale géométrique du noyau de spores, qui s'élève à environ 0,32 μm 2 .

Coupe transversale d'inactivation, σje, de B. subtilis HA 101 spores en fonction du LET et du numéro atomique Z, déterminés à partir des courbes d'inactivation de fluence aux accélérateurs d'ions lourds (Lawrence Berkeley Laboratory, Berkeley, CA [A] et Gesellschaft f&# x000fcr Strahlenforschung, Darmstadt, Allemagne [B]) et à partir de Expériences de biopiles dans l'espace (C). (Modifié à partir de la Fig. ​ Fig.12 12 dans la référence 94 avec l'aimable autorisation de Springer Science and Business Media.)

Il faut noter que dans le système Biostack, les ions très lourds et à LET élevé de GCR, tels que les ions Fe, avec des valeurs de LET de 𾄀 keV/μm, produisent de longues traces à travers plusieurs couches de détecteurs. Ces ions Fe ont été préférentiellement détectés dans les expériences spatiales, alors qu'ils n'étaient pas disponibles dans les expériences au sol. Par conséquent, l'augmentation de σje les valeurs des spores exposées aux particules de rayons cosmiques HZE comparées à celles des témoins au sol peuvent être une conséquence de la fréquence élevée des ions Fe à LET élevé enregistrés par la méthode Biostack.

Par rapport aux spores de B. subtilis, la bactérie résistante aux radiations Déinocoque radiodurans R1 est environ 5 fois plus résistant aux rayonnements ionisants, comme l'indique leur 0 valeurs (0 est définie comme la dose de rayons X réduisant la survie de e 𢄡 , telle que déterminée à partir de la pente exponentielle des courbes de survie). Plus importante est la forme de la courbe de survie, qui montre un épaulement prononcé pour D. radiodurans R1, les cellules affichant une survie de 100 % lorsqu'elles sont exposées à des doses allant jusqu'à 4 kGy. Parce que la courbe de survie des spores de B. subtilis est strictement exponentielle, la même dose élevée de rayonnement ionisant réduit la survie des spores d'environ 3 ordres de grandeur (examiné dans la référence 10).

Les cassures double brin de l'ADN (DSB) sont le type de dommage le plus grave induit par les particules HZE dans les micro-organismes, tel que déterminé dans les cellules de E. coli B/r (230), D. radiodurans R1 (270), et B. subtilis TKJ 8431 (166). Les sections efficaces pour l'induction DSB ont suivi une dépendance similaire sur le LET et le Z des ions à celle trouvée pour l'inactivation des cellules (Fig. ​ (Fig.6). 6). De plus, des dommages de base oxydatifs, tels que la 8-oxo-7,8-dihydro-2′-désoxyguanosine (8-oxodGuo), ont été trouvés dans B. subtilis spores exposées aux particules HZE (ions C et Fe) (169), qui peuvent être causées par les effets indirects du rayonnement particulaire.

Les micro-organismes possèdent plusieurs mécanismes pour réparer les DSB d'ADN induites par les particules HZE. Il s'agit notamment de rejoindre les extrémités cassées, par recombinaison homologue avec une molécule de brin sœur (71) ou par jonction d'extrémités non homologues (NHEJ) (22). Dans les spores de B. subtilis, qui contiennent un seul chromosome disposé en forme de tore (70), NHEJ est la voie de réparation la plus efficace lors de la germination des spores exposées aux rayonnements ionisants, tels que les rayons X (170) ou les particules HZE (173).

La mutagénicité des particules HZE est particulièrement préoccupante dans l'évaluation des risques de rayonnement pour les astronautes, en raison de leur relation avec l'induction de cancer. Des études sur l'induction de mutations (p. B. subtilis et Salmonella enterica sérovar Typhimurium et résistance aux azotures chez B. subtilis spores) a donné les résultats suivants : (i) peu de mutations, voire aucune, ont été induites par les ions légers (Z ≤ 10), et (ii) pour les ions plus lourds (Z ≥ 26), la section transversale de la mutation, & #x003c3m, augmenté avec l'énergie jusqu'à un maximum ou un point de saturation. De cette dépendance de σm sur l'énergie, une « ceinture mutagène » à l'intérieur de la trajectoire de la particule a été suggérée, limitée à une zone où la densité de l'énergie perdue est suffisamment faible pour ne pas tuer la cellule mais suffisamment élevée pour induire des mutations (139).

Rôle de la couche d'ozone stratosphérique dans la protection de la biosphère terrestre contre le rayonnement UV solaire

Le spectre complet du rayonnement UV solaire n'est connu que dans l'espace. Pour obtenir une évaluation quantitative des implications de l'appauvrissement progressif de l'ozone pour la vie sur Terre, le rayonnement solaire extraterrestre a été utilisé dans une expérience spatiale comme source UV naturelle pour irradier les spores de Bacillus subtilis 168 dans un dosimètre biologique 𠇋iofilm” (109). Cette technique de biofilm pondère directement les composantes spectrales incidentes du rayonnement UV environnemental en fonction de leur efficacité biologique (179, 210, 211). Au cours de la mission Spacelab allemande D2 (tableaux ​ (tableaux1 1 et ​ et3), 3 ), précalibrés 𠇋iofilms” constitués de monocouches sèches de spores immobilisées de B. subtilis 168 ont été exposés pendant des intervalles définis à un rayonnement solaire extraterrestre qui a été filtré à travers un système de filtrage optique pour simuler différentes épaisseurs de colonne d'ozone jusqu'à des valeurs très faibles. Après récupération, l'irradiance biologiquement efficace Eeff a été déterminé expérimentalement à partir des données du biofilm pour les différentes épaisseurs de colonne d'ozone simulées et comparé aux données calculées, en utilisant un modèle de transfert radiatif et le spectre d'action connu du biofilm. La figure ​ La figure7 7 montre les données expérimentales et calculées pour une augmentation de l'irradiance solaire UV biologiquement efficace avec une diminution (simulée) des concentrations d'ozone. Le spectre non filtré du rayonnement solaire extraterrestre a conduit à une augmentation de Eeff de près de 3 ordres de grandeur par rapport au spectre solaire à la surface de la Terre pour des colonnes d'ozone total moyennes (Fig. ​ (Fig.7C). 7C ). Les données démontrent la valeur des expériences spatiales en tant que « machine à remonter le temps » pour prédire la sensibilité de la vie à la diminution de la couche d'ozone, c'est-à-dire pour évaluer les tendances futures, ainsi que pour évaluer l'impact du rayonnement UV sur le climat. début de la biosphère, avant la constitution de l'écran d'ozone stratosphérique, c'est-à-dire en repensant à l'histoire de la Terre (41).

(A) Conditions d'irradiation UV (coupure de courte longueur d'onde à l'aide d'un système de filtrage, avec l'épaisseur de colonne d'ozone simulée correspondante) dans l'expérience RD-UVRAD au cours de la mission allemande D2. (B) Spectres d'efficacité biologique calculés pour les différentes conditions expérimentales selon la courbe de sensibilité du dosimètre de biofilm. (C) Efficacité biologique du rayonnement, déterminée expérimentalement à l'aide du dosimètre à biofilm (cercles bleus) et calculée en intégrant les spectres d'efficacité biologique (B) sur les longueurs d'onde (cercles rouges). DU, unité Dobson, qui mesure l'ozone stratosphérique. 1 DU fait référence à une couche d'ozone de 10 μm d'épaisseur sous une température et une pression standard. GC, données de contrôle au sol mesurées à midi en été sur le toit du DLR à Cologne, en Allemagne. (Modifié à partir de la référence 109 avec la permission d'Elsevier.)

TABLEAU 3.

Des expériences dans l'espace pour tester la survie de micro-organismes

AnnéeMissionÉtablissementSystème d'analyse microbienneDurée d'expositionParamètre spatial étudiéDose GCR (mGy)Phénomène étudiéLes références)
1965Altitude des fusées de 150 km Bactériophage T1, B. subtilis spores, Pénicillium spores3 minutesEspace, UV solaire Inactivation116
1966Altitude de fusée Luster de 𼅉 km Bactériophage T1204 sUV solaire (163, 206, 254, 260-280, 306-320 nm) Spectre d'action UV d'inactivation153
1966Gemini 9 altitude de 300 km Bactériophage T1, TMV, B. subtilis spores, Pénicillium spores16 h 47 minEspace, UV solaire Inactivation117
1966Gemini 12 altitude de 300 km Bactériophage T1, TMV, B. subtilis spores, Pénicillium spores6h24Espace, UV solaire Inactivation117
1972Mission lunaire Apollo 16MEEDB. subtilis 168 spores, bactériophage T7Vide, 1,3 h UV, 10 minVide spatial, UV solaire (254, 280 nm)4.8Désactivation, réparation30, 238
1983Spacelab 1 altitude de 240 kmES029B. subtilis HA 101, HA 101 F et TKJ 6312 sporesVide, 9 jours UV, 19 min à 5 h 17,5 minVide spatial, UV solaire (𾅰, 220, 240, 260, 280 nm)1.3Spectre d'action UV d'inactivation, photoproduits, réparation106, 107
1984-1990Altitude LDEF de � kmExostackB. subtilis spores2 107 joursVide spatial, UV solaire4,800Survie à long terme105
1992-1993EURECAÈREB. subtilis Spores de HA 101, HA 101F, TKJ 6312 et TKJ 8431 D. radiodurans Plasmide R1 pBR322 Plasmide pUC19327 joursVide spatial, UV solaire (𾄐, 𾅰, 𾊀, 𾊕, 220, 230, 260, 290 nm)240-410Spectre d'action UV d'inactivation, mutation, ruptures de brins d'ADN, protection par la poussière56, 115
1993Laboratoire spatial D2RD-UVRADB. subtilis 168 spores, D. radiodurans R1, plasmide pBR322, Aspergillus ochraceus condia, Aspergillus niger conidies10 jours (sous vide), 5-120 min (UV)Vide spatial, UV solaire (190, 210, 220, 230, 260, 280, 𾆐, 𾌄, 𾌓, 𾌔, 𾌕, 𾌖, 𾌗 nm)0.74Spectre d'action UV d'inactivation, photoproduits, réparation, mutation, rôle de la couche d'ozone109, 114
1994Photo 9Biopan 1B. subtilis HA 101, HA F et TKJ 5312 spores, Haloarcula sp. cellules, Synéchocoque sp. cellules14,8 joursVide spatial, UV solaire6-74Survie, protection UV par la poussière110, 158
1997Photo 11Biopan 2B. subtilis HA 101 spores, bactériophage T1, Haloarcula sp. cellules, Synéchocoque sp. (Nägeli) cellules10 joursVide spatial, UV solaire4-30Survie, protection UV par la poussière ou les sels110
1999Photo 12Biopan 3B. subtilis HA 101 spores12,7 joursVide spatial, UV solaire5-28Survie, protection UV par la poussière110
1999MIR-PerséeExobiologieB. subtilis HA 101, TKJ 6312 spores98 joursVide spatial, UV solaire37-49Protection UV par la poussière de météorite220
1999Altitude de fusée Terrier Black Brant de 𼌄 kmSERTISD. radiodurans R1, Bacille sp. PS3D395 sVide spatial, solaire EUV (30,4 nm) Survie228
2004Terrier Mark 70 fusée améliorée B. subtilis spores, B. amyloliquefaciens spores350 sEntrée atmosphérique à grande vitesse Survie, mutations63
2005Foton-M2Biopan 5B. subtilis spores, Rhizocarpongeographique, Xanthoria elegans, écosystème microbien du pergélisol14,6 joursVide spatial, UV solaire (𾅰, 𾊀, 𾌠, 𾐀 nm)3.1Survie, protection par régolithe martien ou sol de pergélisol217, 229 D. Gilichinsky, communication personnelle
2005Foton-M2Pierre 5B. subtilis spores, Ulocladiumatrum spores, Chroococcidiopsis sp.14,6 joursEntrée de météorite dans l'atmosphère terrestre Survie24, 42
2007Foton-M3Biopan 6B. subtilis spores, D. radiodurans, Rhizocarpongeographique, Xanthoria elegans, Aspicilia fruticulosa, cyanobactéries endolithiques, endoévaporites10 joursVide spatial, UV solaire (𾄐, 𾈀, 𾊐, 𾐀 nm)3-80Protection de survie par le régolithe martien, la roche et les cristaux de sel protection par le cortex et les pigments49,219
2007Photo M3Pierre 6Rhizocarpongeographique Entrée de météorite dans l'atmosphère terrestre Survie262
2008-2009ISS-EuTeFEXPOSER-EB. subtilis 168 spores, B. pumilus spores, Halocoquedombrowskii, Anabaena cylindrica, communautés cryptoendolithiques antarctiques, Cryomycesl'antarctique, Cryomyces minteri𢏁,5 anVide spatial, UV solaire (𾄐 nm), atmosphère martienne simulée et climat UV (𾈀 nm) Survie, protection, photoproduits d'ADN, activation de gènes192
2009-ISSEXPOSER-RBactériophage T7, B. subtilis 168 spores, B. pumilus, B. licheniformis, Halorubrum chaoviatoris, Chroococcidiopsis, Synéchocoque (Nägeli), Penicillium italicum, Pénicillium expansum, Pénicillium aurantiogresium, Aspergillus sydowi, Aspergillus versicolor, Geomyces pannorum, Trichoderma koningii𢏁 anVide spatial, UV solaire (𾄐, 𾈀 nm) Survie, protection, photoproduits ADN, activation génique102,197

Spores de B. subtilis 168 dans le dosimètre biologique 𠇋iofilm” ont également été utilisés à bord du MIR station de quantification de l'exposition des cosmonautes aux rayonnements UV extraterrestres nocifs lors d'un bain de soleil devant une fenêtre en quartz, ainsi que pour évaluer la suffisance de ce rayonnement UV pour la production interne de vitamine D par les cosmonautes (218). Il a été constaté que le rayonnement UV solaire naturel pénétrant à travers une fenêtre de quartz du MIR La station était adéquate pour la synthèse de vitamine D pendant de longues périodes de bronzage, cependant, elle contenait trop de rayonnements UVC et UVB biologiquement nocifs et constituait donc un danger pour la santé des cosmonautes et devait être évitée.

Interactions de la microgravité et du rayonnement dans les micro-organismes

En plus des risques pour la santé évalués pour les astronautes du fait de l'exposition aux rayonnements et à la microgravité, des risques pourraient découler des interactions de ces facteurs de vol spatial (97). Un support expérimental en faveur de cette hypothèse a été apporté par les expériences spatiales Biostack sur le développement embryonnaire du phasme. Carausius morosus. Un nombre accru d'embryons ont développé des malformations après avoir été touchés par une particule HZE dans des conditions de microgravité (215). Il a été suggéré que la microgravité interfère avec le fonctionnement des processus de réparation cellulaire de l'ADN endommagé par les radiations, entraînant une augmentation de la réponse aux radiations pendant les vols spatiaux (194 examiné dans la référence 92). Expériences dans l'installation ESA Biorack (26) à bord du Spacelab IML-1 (STS-42 du 22 au 30 janvier 1992) avec le mutant de réparation conditionnelle à la température Saccharomyces cerevisiae rad 54-3 a fourni un support supplémentaire pour cette hypothèse (208). Cellules de Saccharomyces cerevisiae rad 54-3 répare les DSB d'ADN induits par les rayonnements lorsqu'ils sont incubés à 22 ° C, cependant, ils ne le font pas lorsqu'ils sont cultivés à 36 ° C. Étant donné que la dose de rayonnement d'environ 1 mGy reçue au cours de la mission de 8 jours en LEO serait trop faible pour détecter une inactivation remarquable des cellules induite par le rayonnement, les cellules en phase stationnaire ont été irradiées avant le vol avec des rayons X à des doses allant jusqu'à à 140 Gy et maintenues pendant toute la mission dans des conditions de non croissance pour permettre l'évaluation de la récupération retardée de l'étalement (69) Après le retour, les cellules ont été incubées à 22 ° C ou 36 ° C. Il a été constaté que dans les échantillons de vol conservés en microgravité, la capacité de réparation des DSB d'ADN était réduite d'un facteur 2 par rapport au 1 × g contrôle au sol (208). Ces données, qui suggèrent une interaction synergique de la microgravité et du rayonnement, n'ont pas été confirmées dans une expérience de suivi au cours de la mission Spacelab SMM-03 (STS-76 du 22 au 31 mars 1996) (206). D'autres expériences utilisant une source de rayonnement embarquée sont nécessaires pour déterminer un impact possible de la microgravité sur les processus de réparation de l'ADN.

Une étude plus détaillée de l'efficacité de différentes voies de réparation dans des cellules irradiées poussant en microgravité a été réalisée dans l'installation Biorack pendant la mission Spacelab IML-2 (STS-65 du 8 au 23 juillet 1994), avec différents systèmes unicellulaires qui ont été irradiés avant la mission spatiale. Dans cette étude, les fonctions de réparation suivantes ont été étudiées : (i) la cinétique de réunion des cassures de brins d'ADN induites par le rayonnement dans E. coli cellules et fibroblastes humains, (ii) l'induction de la réponse SOS dans les cellules de E. coli, et (iii) la cinétique d'inactivation dans la germination des spores de Bacillus subtilis avec différentes capacités de réparation. Pour ces études, chaque incubateur fourni par Biorack était équipé d'un 1 × g centrifugeuse de référence ainsi qu'avec des compartiments statiques, ces derniers exposant les échantillons à des conditions de microgravité. Les échantillons ont été collectés périodiquement après 1 h à 5 h d'incubation et conservés dans un congélateur �ଌ jusqu'à l'analyse en laboratoire. Dans la figure ​ Fig.8, 8, la cinétique de réparation des différents systèmes microbiens est représentée pour les conditions de gravité suivantes pendant l'incubation : espace (0 × g et 1 × g) et la masse (1 × g et 1.4 × g). Comparaison des cellules qui ont été autorisées à se réparer en microgravité à celles sous gravité (1 × g centrifugeuse de référence à bord ou témoins au sol correspondants) n'ont montré aucune différence significative dans leurs réactions de réparation enzymatique (108, 112). En utilisant une source de rayonnement embarquée, Pross et al. (207) ont montré, en utilisant des cellules de Saccharomyces cerevisiae rad 54-3, qu'en microgravité, le nombre de DSB d'ADN induites par les rayonnements et l'efficacité de leur réparation ne différaient pas de ceux observés dans des conditions terrestres. Par conséquent, les effets synergiques de la microgravité et du rayonnement dans les systèmes biologiques qui ont été observés dans plusieurs cas, par exemple, les systèmes embryonnaires (examinés dans les références 92 et 93), ne peuvent probablement pas être expliqués par une perturbation de la réparation intracellulaire en microgravité. D'autres mécanismes conjecturés sont les suivants : (i) au niveau moléculaire, les conséquences d'un environnement sans convection (251) (ii) au niveau cellulaire, un impact sur la transduction du signal, sur les récepteurs, sur l'état métabolique/physiologique, sur la chromatine, ou sur la structure membranaire et (iii) au niveau des tissus et des organes, la modification de l'auto-assemblage, la communication intercellulaire, la migration cellulaire, la formation de motifs ou la différenciation. L'expérience Triple-Lux, qui sera menée au sein de l'installation d'incubation Biolab de l'ESA sur l'ISS (212), permettra de mieux comprendre une interaction possible du rayonnement et de la microgravité. Dans cette expérience, le test de toxicité du biocapteur bactérien SOS-Lux-Lac-Fluoro sera utilisé pour discriminer entre les dommages induits par les rayonnements et induits par la microgravité dans les cellules bactériennes. Il consiste en une combinaison du test SOS-Lux, c'est-à-dire Salmonella enterica cellules de sérovar Typhimurium TA1535 transformées avec le plasmide pPLS-1 (209) dérivé de pBR322 et le plasmide avancé similaire SWITCH, portant le plasmide sans promoteur lux opéron de Photobacterium leiognathi en tant qu'élément rapporteur, contrôlé par un promoteur SOS dépendant des dommages à l'ADN en tant qu'élément capteur, avec le plasmide pGFPuv pour détecter l'activité cytotoxique de produits chimiques ou d'agents environnementaux (11). Ce biocapteur combiné a le potentiel pour de multiples applications dans les systèmes de surveillance de la toxicité environnementale (9).

Cinétique de réparation des dommages à l'ADN induits par les rayonnements dans des conditions de microgravité. (A) Rejoindre des cassures de brin d'ADN dans des cellules irradiées par X de E. coli B/r. (B) Induction de la réponse SOS dans les cellules irradiées X de E. coli PQ37. (C) Survie des spores de B. subtilis HA 101 après irradiation UV. (Modifié à partir de la référence 112 avec la permission de l'éditeur.)

Survie des micro-organismes dans l'espace extra-atmosphérique

Depuis l'avènement des vols spatiaux, la capacité des micro-organismes à survivre à l'exposition aux conditions de l'espace extra-atmosphérique a été étudiée pour examiner les questions suivantes. Quelle est la limite supérieure de la biosphère ? Jusqu'où peut-on repousser les limites de la vie (métabolisme et croissance ou survie) ? Le transport interplanétaire de micro-organismes par des processus naturels est-il faisable ? Dans quelle mesure l'environnement spatial stérilise-t-il les engins spatiaux lors des voyages interplanétaires ? Peut-on utiliser l'environnement spatial pour simuler certains environnements planétaires pour modéliser et tester l'habitabilité de ces planètes ?

Alors que la quête de la limite supérieure de la biosphère a été étudiée en utilisant des dispositifs d'échantillonnage à bord de fusées météorologiques et de ballons à haute altitude (voir “Upper Boundary of the Biosphere”), les autres questions ont été résolues en exposant volontairement des micro-organismes à l'environnement spatial ou à des paramètres sélectionnés de celui-ci et étudier leurs réponses après récupération.

Installations pour exposer des micro-organismes à l'espace extra-atmosphérique.

Pour exposer des micro-organismes à l'espace ou à des paramètres sélectionnés de cet environnement extrême, plusieurs installations d'exposition ont été développées pour la fixation à l'enveloppe extérieure d'un engin spatial. Le tableau ​ Le tableau 3 3 répertorie les expériences avec des micro-organismes dans l'espace réalisées depuis 1965. Le premier dispositif d'exposition sophistiqué a été construit en 1972 par la NASA, c'était le MEED pour la mission Apollo 16 (245, 246). Le MEED a été monté à l'extrémité distale de la perche TV du module de commande pendant la phase d'activité extravéhiculaire du trans-Côte de la Terre. Il était composé de 798 cuvettes d'échantillon avec des fenêtres en quartz comme filtres optiques, avec la possibilité de prévoir des trous de ventilation pour accéder au vide spatial (Fig. ​ (Fig.9). 9). Le MEED a été exposé au vide spatial pendant 1,3 h et à trois niveaux d'intensité de rayonnement UV solaire pendant 10 min, avec une longueur d'onde maximale de 254 nm, 280 nm ou 300 nm. À l'aide d'un dispositif de positionnement solaire, le MEED a été orienté directement perpendiculairement au soleil.

Installation d'exposition MEED montée sur le faisceau de la caméra de l'orbiteur lunaire de la mission Apollo 16 (A) et cuvette d'échantillonnage pour exposer des couches sèches de micro-organismes au rayonnement UV solaire et au vide spatial (B). (Réimprimé de la référence 245.)

La prochaine occasion d'expériences microbiologiques dans l'espace a été offerte en 1983 par la mission SL1 (tableau ​ (tableau 3), 3 ), avec l'expérience d'exposition allemande ES029 (106, 107). Le plateau d'exposition, cloisonné en quatre compartiments carrés recouverts de quartz, était logé dans la soute de SL1 et monté sur la plaque froide de la palette (Fig. ​ (Fig.10). 10). Deux des compartiments étaient ventilés vers l'extérieur, permettant l'accès à l'espace sous vide les deux autres compartiments étaient hermétiquement fermés, avec une pression constante de 10 5 Pa. Chaque compartiment contenait 79 échantillons secs dans la couche supérieure, permettant une exposition aux UV, et le même numéro a été conservé dans la couche inférieure en tant que commandes de vol sombres. Les échantillons irradiés aux UV ont été placés sous un système de filtrage optique composé de filtres interférentiels pour bandes d'ondes étroites (220 nm, 240 nm, 260 nm et 280 nm) et de filtres à densité neutre (tableau ​ (tableau 1). 1). Un obturateur non transparent avec des fenêtres optiques a été utilisé pour obtenir des intervalles d'irradiation précis pendant la phase de “hot” de la mission, lorsque pendant plusieurs orbites la soute de la navette était perpendiculairement dirigée vers le soleil. Les échantillons ont été exposés au vide spatial pendant 10 jours et au rayonnement UV solaire pendant des périodes prédéfinies (de 19 min à 5 h 17,5 min). La température variait de 17ଌ à 35ଌ, les valeurs les plus élevées se produisant pendant la phase de “hot” de la mission. Deux types de contrôles au sol ont été effectués, dont une expérience de simulation au sol dans une installation de simulation spatiale avant la mission et un contrôle au sol parallèle avec une configuration expérimentale identique à l'unité de vol qui était conservée au Kennedy Space Center dans une chambre à vide (10 𢄤 Pa) à des températures imitant le profil de température de vol, avec un délai d'un jour. Les échantillons microbiologiques de l'expérience en vol et des contrôles au sol ont été analysés après récupération dans les laboratoires des enquêteurs.Un dispositif similaire a été piloté en 1993 avec l'expérience UVRAD lors de la mission allemande SL D2 (Table ​ (Table1), 1 ), qui a fourni une phase de “hot” pendant deux orbites à la fin de la mission.

Plateau d'exposition de l'expérience ES029 (A), qui était monté (flèche) sur une palette à l'intérieur de la soute de SL1 (B), et plateau d'exposition (C) de l'installation ERA (D) à bord du satellite EURECA. (Avec l'aimable autorisation du DLR [A], de la NASA [B] et de l'ESA [C et D].)

Des installations d'exposition plus avancées avec jusqu'à quatre fois la capacité de l'expérience ES029 de SL1 ont été développées par l'ESA, avec l'assemblage de rayonnement exobiologique (ERA) pour la mission EURECA (Fig. ​ (Fig.10) 10 ) (115, 121) et les installations EXPOSE rattachées à l'ISS (6). EURECA a été lancé en 1992 pour une mission de pointage solaire de 9 mois et a fourni une exposition au rayonnement UV solaire pendant 6 mois. La température a été contrôlée par l'utilisation d'une plaque froide et est restée entre 25 et 40 ° C. L'installation ERA se composait de deux plateaux : l'un était recouvert d'un obturateur avec des fenêtres optiques, permettant une irradiation UV à des intervalles prédéfinis similaires aux installations SL et l'autre était thermiquement découplé, simulant ainsi le voyage naturel dans l'espace de micro-organismes enfermés dans une météorite. . Dans ce dernier cas, les échantillons ont été exposés dans des météorites dites artificielles, c'est-à-dire mélangées à différents sols, roches et poudres de météorites, et le rayonnement UV solaire a été filtré à travers différents filtres de coupure passe-long (𾄐 nm, 𾅰 nm, 𾊀 nm et 𾊕 nm) ou n'était pas du tout atténué. Les températures de ce dernier plateau variaient de 25 ° C à près de 50 ° C (114, 115), et la dose de rayonnement de GCR a atteint des valeurs allant jusqu'à 0,4 Gy (216) (tableau ​ (tableau 1 1 ).

Les installations EXPOSE de l'ESA de l'ISS sont les dernières entités développées de la série d'installations d'exposition. Une unité EXPOSE se compose de trois plateaux, chacun abritant quatre compartiments similaires à ceux des plateaux d'exposition SL et ERA (Fig. ​ (Fig.11). 11 ). L'installation EXPOSE-E a été lancée avec la STS 122 le 7 février 2008 et montée par activité extravéhiculaire sur le module européen Columbus de l'ISS dans le cadre de la plate-forme European Technology Facility (EuTeF) (6). Un plateau d'EXPOSE-E a été réservé aux expériences sur l'évolution chimique prébiotique, le deuxième plateau fournit des conditions spatiales (vide spatial et un spectre UV solaire de 𾄐 nm), et le troisième plateau fournit des conditions qui simulent le climat de surface de Mars (600 Pa de pression, 95% CO2, et UV solaire de 𾈀 nm). EXPOSE-E restera dans l'espace pendant plus d'un an. La deuxième installation EXPOSE, EXPOSE-R, a été lancée en novembre 2008 et restera attachée à la plate-forme URM-D, une installation externe de l'ISS au module russe Svezda, pendant environ 1 an. EXPOSE-E et EXPOSE-R abritent un total de 13 expériences différentes qui sont réalisées en coopération internationale (6, 102). Avant d'être lancées dans l'espace, toutes les expériences EXPOSE ont été testées dans des expériences de simulation au sol soigneusement conçues et dans un test de séquence d'expériences, en utilisant les installations de simulation planétaire et spatiale (PSI) du Centre aérospatial allemand DLR (213).

Installation EXPOSE-E montée sur la plate-forme EuTeF du module européen Columbus de l'ISS. La photo a été prise par l'équipage de STS 122, au moment de quitter l'ISS. (Avec l'aimable autorisation de l'ESA et de la NASA.)

L'exposition à long terme (environ 3 mois) de composés chimiques organiques et de micro-organismes à l'espace a également été menée en 1999 par la mission française Persée sur la MIR gare (220). Le temps d'insolation était de 1 045 h et la température variait de �ଌ à ⭃ଌ. Au cours de cette mission, une dose de rayonnement de 48,7 mGy a été reçue par la couche supérieure exposée au soleil et 36,8 mGy ont été reçus par la couche sombre inférieure (tableau ​ (tableau 1). 1). L'exposition la plus longue de micro-organismes dans l'espace, environ 6 ans (1984-1990), a été obtenue lors de la mission NASA LDEF (installation d'exposition de longue durée) dans le cadre de l'expérience allemande Exostack (105). LDEF était une structure en treillis passive pointant vers la Terre pour les tests de stabilité de différents matériaux dans l'espace (129). Les échantillons biologiques ont été logés sur une palette latérale sous un dôme perforé, soit sans aucun couvercle, c'est-à-dire exposés à la matrice complète des paramètres spatiaux, soit recouverts de filtres à quartz ou de papier d'aluminium (Fig. ​ (Fig.12). 12). Une dose UV totale (𾄀 nm) de 10 9 J/m 2 a été estimée, une dose GCR de 4,8 Gy et une fluence de 60 particules HZE/cm 2 ont été mesurées dans les expériences Biostack situées sur la même palette (105) ( Tableau ​ (Tableau 1) 1 ). Des installations d'exposition plus avancées qui maintiennent les échantillons à des températures très basses, par exemple 10 K, pendant l'irradiation UV ont été conçues de manière conceptuelle mais n'ont pas encore été réalisées (89). Un dispositif d'exposition et de capture de particules pour le module japonais KIBO de l'ISS a été développé et sélectionné comme candidat au vol en 2010 (267).

Schéma des conditions d'exposition dans l'expérience Exostack (A) à bord du LDEF (B) (flèche). (Panneau A modifié à partir de la référence 96 avec la permission d'Elsevier, panneau B avec l'aimable autorisation de la NASA.)

Des opportunités pour des expériences d'exposition de courte durée (10 à 12 jours) ont été fournies par les installations de l'ESA Biopan, des conteneurs cylindriques en forme de casserole avec un couvercle déployable monté sur la surface extérieure du module de descente d'un russe photo satellite (Fig. ​ (Fig.13) 13 ) (6, 50). Après avoir atteint l'orbite appropriée, le couvercle s'ouvre à 180 °, exposant les expériences dans le fond et le couvercle à l'espace. Pour surveiller les conditions d'exposition, l'installation Biopan est équipée de capteurs solaires UV, de rayonnement et de température intégrés. Lors de la remontée et de la rentrée, le couvercle est hermétiquement fermé et l'ensemble de l'installation est recouvert d'un bouclier thermique ablatif. Depuis 1992, cinq missions Biopan ont été réalisées avec succès (Tableau ​ (Tableau 1). 1 ). La NASA développe actuellement de petits satellites d'astrobiologie qui prévoient également l'exposition des micro-organismes à des paramètres spatiaux sélectionnés (226). Des micro-organismes ont également été exposés à l'espace pendant de très courtes périodes (plusieurs minutes) à l'aide de fusées météorologiques (63, 153, 228).

Installation Biopan ouverte comme en vol (A) et montée sur le photo capsule de rentrée (B). (Avec l'aimable autorisation de l'ESA.)

L'espace extra-atmosphérique comme banc d'essai pour évaluer les limites de survie des micro-organismes.

La question de savoir si certains micro-organismes peuvent survivre dans l'environnement hostile de l'espace a intrigué les scientifiques depuis le début des vols spatiaux, et des opportunités ont été offertes pour exposer des échantillons dans l'espace. Les premiers tests ont été effectués en 1966, lors des missions Gemini IX et XII, lorsque des échantillons de bactériophage T1 et de spores de Pénicillium roqueforti ont été exposés à l'espace extra-atmosphérique pendant 16,8 h et 6,5 h, respectivement. Les analyses après récupération ont donné des fractions survivantes de 3 × 10 𢄥 (Gemini IX) et ς × 10 𢄦 (Gemini XII) pour P. roqueforti et 2 × 10 𢄦 (Gemini IX) et 3 × 10 𢄥 (Gemini XII) pour le bactériophage T1, démontrant le fort pouvoir destructeur de l'environnement spatial complet (117). Cependant, le fait de recouvrir les échantillons d'une fine couche (0,4 mm) d'aluminium a entraîné une survie 3 000 fois plus élevée de T1 et une survie complète des spores fongiques. Ce fut la première indication que le rayonnement non pénétrant de l'espace, probablement le rayonnement UV solaire ou les rayons X mous, était principalement responsable de l'inactivation des échantillons d'essai. Une létalité tout aussi élevée des micro-organismes exposés à tout le spectre de l'espace a ensuite été confirmée pour une variété de micro-organismes, y compris les cellules de levure, Aspergillus ochracé conidies, cellules de Déinocoque radiodurans, et les spores de Bacillus subtilis avec diverses capacités de réparation de l'ADN (Fig. ​ (Fig.14) 14 ) (56, 105, 110, 115). Même si elles sont incrustées dans des cristaux de sel, les cellules des espèces halophiles Halorubrum chaoviatoris ont été inactivés, de plus de 7 ordres de grandeur, après exposition à l'espace plein (dose de rayonnement UV, 10 4 kJ/m 2 ) au cours d'un vol de 2 semaines à bord de l'installation Biopan 1 de l'ESA (158). Jusqu'à présent, seuls quelques systèmes microbiens sont connus qui font face à l'environnement spatial complet, ce sont les lichens Rhizocarpon geographique et Xanthoria elegans, qui avait complètement restauré l'activité photosynthétique après récupération de vols Biopan de 2 semaines (Fig. ​ (Fig.14) 14 ) (49, 229), et des cellules de la cyanobactérie marine Synéchocoque habitant des cristaux de gypse-halite, qui ont maintenu une capacité de fixation du carbone presque normale après une exposition de 2 semaines à l'espace (158). D'autres analyses multimicroscopiques n'ont révélé aucun changement ultrastructural détectable dans la plupart des cellules algales et fongiques des lichens. Les deux systèmes—les lichens et les cyanobactéries halophiles—possèdent des capacités de filtrage UV, à savoir, le cortex épais et dense, avec des pigments de filtrage UV et des acides phénoliques rhizocarpiques et pariétine comme couche supérieure et comme protection indigène, pour le système symbiotique du lichen (51 , 78), et les cristaux de sel comme protection exogène pour les cyanobactéries.

Survie de micro-organismes pendant de longues périodes dans le vide spatial (c. Les microbes examinés ont été B. subtilis spores en monocouches, en multicouches mélangées à du glucose, mélangées à de l'argile ou de la poudre de météorite, ou enfouies dans des météorites artificielles de 1 cm de diamètre en alvéoles de Haloarcula et les lichens Rhizocarpon geographique et Xanthoria elegans. Les données proviennent d'expériences sur le photo Biopan, MIR, EURECA et LDEF.

Démêler les effets biologiques des différents paramètres de l'espace nécessite un matériel expérimental spécial, tel que fourni par les expériences d'exposition à bord de SL1, D2, EURECA et de l'ISS (Fig. ​ (Fig.10 10 et ​ et11) . 11 ). La plupart des paramètres de l'espace ont été suffisamment contrôlés par le rayonnement UV solaire en utilisant des filtres optiques, la température en utilisant un refroidissement et/ou un chauffage actifs, et l'accès au vide spatial en utilisant des compartiments ventilés ou hermétiquement scellés. Cependant, le blindage contre le GCR est presque impossible et il empiète en permanence sur tous les échantillons de test dans l'espace. Cependant, les particules HZE sont le composant biologiquement le plus efficace du GCR, en raison de leur très faible fluence de 6 × 10 𢄥 particules/an-μm 2 , mesurée au cours de plusieurs missions spatiales, par exemple, au cours de la mission LDEF (105), peu de micro-organismes sont touchés par une particule HZE, et des technologies spéciales, telles que le concept Biostack (29), sont nécessaires pour identifier les micro-organismes touchés (voir �icacité biologique du rayonnement cosmique”). La microgravité est un autre paramètre spatial auquel les cellules ne peuvent s'échapper que si elles sont hébergées dans un 1 × embarqué g centrifugeuse de référence. Les réponses des micro-organismes à la microgravité aux niveaux moléculaire et cellulaire sont discutées dans le "Role of Gravity in Basic Biological Processes". Il convient de noter que la microgravité interfère principalement avec la croissance ou le métabolisme des cellules, cependant, dans les expériences d'exposition, de cellules, de conidies fongiques ou de spores bactériennes ont été utilisées qui n'étaient pas affectées par l'environnement de gravité.

(i) Efficacité spectrale du rayonnement UV extraterrestre solaire.

À partir des courbes d'effet de fluence, obtenues dans le cadre de l'expérience ES029 à bord de Spacelab 1, il a été constaté que 10 s d'exposition au spectre complet du rayonnement UV extraterrestre solaire (𾆐 nm) réduisaient la fraction survivante des spores de B. subtilis de près de 2 ordres de grandeur (106, 107). Spectres d'action, d'abord obtenus pour l'inactivation du bactériophage T1 lors d'un vol de fusée (153) et plus tard pour l'inactivation de B. subtilis Les spores de HA 101 dans des expériences à bord de SL1, D2 et EURECA (95, 106, 107, 115, 185), corrélées avec le spectre d'absorption de l'ADN, indiquant que l'ADN est la molécule cible sensible pour l'inactivation des micro-organismes dans l'espace (Fig. ​ (Fig.15).15). Ceci est dû à la génération directe de lésions bipyrimidiques par absorption de photons et excitation. Les principaux photoproduits d'ADN dans les cellules végétatives sont les dimères de cyclobutane pyrimidine et les photoproduits de pyrimidine (6-4) pyrimidone qui se forment entre les résidus pyrimidine adjacents sur le même brin d'ADN (35). Dans les spores bactériennes, le rayonnement UV génère principalement une autre bipyrimidine, la 5,6-dihydro-5(α-thyminyl) thymine, appelée photoproduit de spores (SP) (174, 256). La prépondérance de la SP dans l'ADN des spores irradiées aux UV peut s'expliquer par différents facteurs, notamment l'état déshydraté du noyau de la spore, la présence de grandes quantités d'acide dipicolinique et la liaison de petites protéines de spores solubles dans l'acide (SASP) du type α/β à l'ADN (185). La liaison des SASP de type α/β à l'ADN des spores, ainsi que la déshydratation du noyau des spores, induit un changement dans la conformation hélicoïdale de l'ADN des spores de la forme B à une forme de type A, qui à son tour modifie son Photochimie UV pour favoriser la production de SP (58, 232). La SP est réparée de manière extrêmement efficace pendant la germination des spores, grâce à une voie de réparation spécifique à la SP utilisant la lyase SP (180, 214, 236).

Spectres d'action d'inactivation des spores de B. subtilis HA 101 par rayonnement UV solaire extraterrestre, exposé au vide spatial (cercles bleus) ou à 10 5 Pa dans l'air ou l'argon (cercles rouges). Les données sont des valeurs moyennes d'expériences sur SL1, D2 et EURECA. Les spectres sont normalisés à 1 à λ = 260 nm à 10 5 Pa. À titre de comparaison, le spectre d'action des dommages à l'ADN est indiqué (ligne pointillée). (Modifié à partir de la référence 115 avec la permission d'Elsevier.)

Même les UV extrêmes (EUV) (10 à 190 nm) ont efficacement tué les micro-organismes dans l'espace, comme déterminé pour les cellules de B. subtilis sp. souche PD3D et D. radiodurans après une courte exposition à l'EUV à 30 nm lors d'un vol de fusée (228). Dans cette gamme EUV, l'efficacité spectrale pour l'inactivation augmente fortement avec l'augmentation de l'énergie des photons (99). Étant donné que cette augmentation ne se reflète pas dans le spectre d'absorption des bases d'ADN dans la courbe d'absorption de la fraction sucre-phosphate de l'ADN (122), il a été conclu que les cassures des brins d'ADN peuvent être responsables de la destruction de micro-organismes par EUV. En plus de l'interaction directe avec l'ADN, le rayonnement EUV peut affecter l'ADN indirectement en générant des espèces réactives de l'oxygène, qui peuvent induire des cassures simple et double brin dans l'ADN (Fig. ​ (Fig.4). 4). En fait, une augmentation des cassures de brins d'ADN a été trouvée avec le plasmide pUC19 après irradiation avec EUV dans des installations de simulation spatiale (99, 260). Cependant, chez les micro-organismes, l'EUV peut être absorbé en grande partie par les couches externes, entraînant des dommages aux protéines membranaires plutôt qu'à l'ADN (228). Les conséquences biologiques de ces dommages doivent être étudiées plus avant. Des cassures de brins d'ADN ainsi qu'une réticulation de protéines d'ADN ont également été détectées dans des cellules de D. radiodurans et Chaoviator Halorubrum (anciennement appelé Haloarcula sp. et Halo-G), en conidies de Aspergillus ochraceus, dans les spores de B. subtilis, et dans le plasmide pBR322, qui ont été exposés au spectre complet des UV solaires extraterrestres (𾄐 nm ou 𾅰 nm) lors de diverses missions spatiales (56, 107, 158). Ils ont été générés en plus des photoproduits UV de pyrimidine bien connus (34, 106, 107). Les dommages à l'ADN induits par les UV peuvent s'accumuler lors de l'exposition à l'espace, avec des conséquences éventuellement graves sur l'intégrité du génome lors de la reprise de la croissance et de la réplication cellulaires.

(ii) Effets de dessiccation par le vide spatial.

Le vide spatial (10 𢄧 à 10 𢄤 Pa) (tableau ​ (tableau1) 1 ) est un autre facteur nocif affectant l'intégrité microbienne. Si les cellules ne sont pas protégées par des substances internes ou externes, la déshydratation endommagera gravement les composants cellulaires : les membranes lipidiques peuvent passer de bicouches planes à bicouches cylindriques et les glucides, les protéines et les acides nucléiques peuvent subir des réactions amino-carbonyles (réactions de Maillard) qui conduisent à la réticulation et, enfin, à la polymérisation des biomolécules (45). Ces changements structurels peuvent donner lieu à des changements fonctionnels, tels qu'une activité enzymatique inhibée ou altérée, des changements dans la perméabilité membranaire et une altération de l'information génétique. Ce dernier changement est particulièrement dramatique car il peut conduire à la mort cellulaire ou à la mutagenèse. Dans les spores bactériennes très résistantes à la dessiccation, la teneur en eau dans le noyau de la spore est naturellement réduite à 25 à 45% de leur poids humide. En conséquence, les protéines sont immobiles et les enzymes sont inactives pendant la phase de spores (231).

Des micro-organismes exposés à l'espace dans des compartiments ventilés mais protégés contre le rayonnement UV solaire ont été étudiés pour déterminer les effets du vide spatial. Bien qu'une variété de microbes soient connus pour être résistants à la dessiccation, peu étaient capables de faire face aux contraintes mécaniques du vide poussé de l'espace. Par exemple, les cellules de la bactérie résistante à la dessiccation Déinocoque radiodurans ont été tués après une exposition de 9 mois au vide spatial au cours de la mission EURECA (56). Dans la même série expérimentale, les conidies de Aspergillus niger et de Aspergillus ochraceus a défié le vide spatial et a présenté des taux de survie d'environ 30 & 5 & 00025, respectivement. Spores de B. subtilis les souches de type sauvage et déficientes en réparation séchées en monocouches et exposées au vide spatial pendant 10 jours ont montré une survie de 70 & 50 & 50, respectivement (95). Après près de 6 ans dans le vide spatial, le record d'exposition à l'espace atteint jusqu'à présent 2 % de B. subtilis les spores dans une monocouche ont survécu à l'exposition à long terme au vide spatial (Fig. ​ (Fig.14) 14) (105). La survie était significativement augmentée si des substances protectrices, telles que des sucres ou des sels tampons, étaient ajoutées aux spores. 70 % à 90 % des spores préséchées en multicouches en présence de 5 % de glucose ont survécu à l'exposition de 6 ans au vide spatial à bord du LDEF (Fig. ​ (Fig.14) 14 ) (95, 105) .

Les mécanismes suivants ont été suggérés pour l'augmentation observée de la survie des spores dans le vide spatial lorsqu'elles sont exposées en présence de substances protectrices : (i) les additifs lient des molécules d'eau supplémentaires, empêchant ainsi la dessiccation complète de la cellule (par exemple, les glucides) (ii) les additifs remplacer les molécules d'eau, stabilisant ainsi la structure des macromolécules (par exemple, les polyalcools) et (iii) les additifs recouvrent les spores par une couche moins perméable à l'eau, créant ainsi un microclimat de pression d'eau plus élevée sous cette couche (résumé dans la référence 95). Au cours de la mission LDEF, la combinaison des trois mécanismes peut avoir conduit à la survie élevée des spores dans les multicouches sèches en présence de glucose.

La mutagénicité du vide spatial a été détectée pour la première fois lors de la mission SL1, lorsqu'après l'exposition de spores de B. subtilis dans le vide spatial, la fréquence des révertants de l'histidine a été multipliée par 10 (106). Cet effet mutagène du vide spatial, qui a depuis été confirmé dans d'autres expériences spatiales et en laboratoire, est probablement basé sur une signature moléculaire unique de changements de double base en tandem sur des sites restreints de l'ADN (181). Ceci a été confirmé dans des études avec des spores de B. subtilis souche TKJ6312 avec double défaut de réparation de l'ADN (uvrA10 spl-1). Concernant les mutations de la résistance à l'acide nalidixique, la majorité des mutations induites par l'exposition au vide poussé appartenaient à un allèle particulier, gyrA12, portant un changement de base en tandem, 5′-CA à 5′-TT, au codon 84 du gyrA gène codant pour la sous-unité d'ADN gyrase A. Munakata et al. (181) ont rapporté que cet allèle n'a jamais été trouvé parmi plus de 500 mutants obtenus par divers traitements à moins qu'ils n'aient été exposés au vide.

La mutagenèse induite par le vide indique que l'ADN des spores est l'une des molécules critiques sensibles à l'exposition au vide. L'augmentation de la perte d'eau due à l'exposition au vide conduit à une dénaturation partielle de l'ADN (64). Les conséquences sont des cassures de brins d'ADN, qui ont été identifiées dans des cellules de D. radiodurans et Halo-G, maintenant identifié comme Halorubrum chaoviatoris (159), ainsi que dans les spores de B. subtilis, après exposition au vide spatial (55, 56, 158). Spores de la souche triple mutante déficiente en réparation TKJ 8431 (uvrA10 ssp-1 recA1) de B. subtilis, qui sont déficients en réparation par recombinaison, étaient les spécimens les plus sensibles dans des conditions de vide spatial (115). À l'aide d'installations de simulation spatiale, Moeller et al. (170) ont montré que NHEJ est une voie de réparation très efficace pour les DSB d'ADN induites dans les spores de B. subtilis par vide poussé. Ils émettent l'hypothèse que NHEJ est une stratégie clé utilisée lors de la germination des spores pour réparer les DSB causées par une dessiccation extrême induite par un vide ultra-élevé, ainsi que par d'autres facteurs extrêmes, tels que les rayons UV et ionisants, rencontrés lors d'une exposition prolongée à un environnement hostile. de l'espace. Ces résultats indiquent que la déshydratation forcée de l'ADN dans le microenvironnement du noyau de la spore pourrait causer des dommages uniques, avec des conséquences mutagènes et finalement mortelles. La survie des spores dépend finalement de l'efficacité de la réparation de l'ADN après réhydratation et germination.

Le niveau élevé de résistance des endospores bactériennes au vide spatial et à la dessiccation en général est dû principalement à un noyau déshydraté enfermé dans une enveloppe protectrice épaisse, le cortex et les couches de revêtement des spores, et la protection de leur ADN par de petites protéines dont la liaison altère grandement la liaison. la réactivité chimique et enzymatique de l'ADN (185). Cependant, les stratégies par lesquelles B. subtilis les spores protègent leur intégrité, y compris celle de l'ADN, contre les dommages causés par le vide ne sont pas encore entièrement comprises. Les sucres non réducteurs, tels que le tréhalose ou le saccharose, aident généralement à prévenir les dommages à l'ADN, aux membranes et aux protéines en remplaçant les molécules d'eau pendant le processus de dessiccation et en préservant ainsi la structure tridimensionnelle des biomolécules. Bien que les spores bactériennes n'accumulent pas naturellement ces substances, l'ajout de glucose aux spores a considérablement augmenté le taux de survie des spores dans le vide spatial.

(iii) Interaction du vide spatial et du rayonnement UV extraterrestre solaire dans les micro-organismes.

Lorsque les spores de B. subtilis ont été simultanément exposés au rayonnement UV solaire et au vide spatial, ils ont répondu avec une sensibilité 5 à 10 fois supérieure à un large spectre d'UV solaires (𾅰 nm), ainsi qu'à des longueurs d'onde sélectionnées, par rapport à l'irradiation UV dans l'air ou de l'argon à pression atmosphérique (10 5 Pa) (Fig. ​ (Fig.15). 15 ). Lors de la déshydratation, par exemple, dans le vide spatial, l'ADN subit des changements conformationnels substantiels, tels qu'une dénaturation réversible (64). Cette conversion dans la structure physique conduit à une photochimie de l'ADN altérée. Les photoproduits générés dans l'ADN de B. subtilis les spores exposées au rayonnement UV sous vide étaient différentes de celles induites dans les spores humides. Le photoproduit prédominant induit par le rayonnement UV dans les spores à pression atmosphérique est la dipyrimidine 5,6-dihydro-5(α-thyminyl)thymine, le photoproduit de spores (256). Dans les spores qui ont été irradiées aux UV sous vide, deux autres produits de décomposition de la thymine, à savoir le cis-syn et trans-syn des dimères de cyclobutane et de thymine, ainsi qu'une réticulation ADN-protéine, ont été trouvés (106, 107, 150) en plus du photoproduit de spores. La présence de trans-syn Les dimères sont un autre indice de l'ADN partiellement dénaturé par le vide (64), car ils ne peuvent être formés que si une thymine a tourné de 180 & X000b0 par rapport à une thymine adjacente. L'induction prédominante de la 5,6-dihydro-5(α-thyminyl)thymine par les UV (254 nm) dans les spores ainsi que dans des échantillons secs d'ADN a été récemment confirmée par chromatographie liquide à haute performance-spectrométrie de masse (57, 58 , 171, 174). L'application de cette technique très précise pour l'analyse de photoproduits dans l'ADN de spores irradiées aux UV sous vide est actuellement à l'étude (R. Moeller, communication personnelle). Jusqu'à présent, les données suggèrent une conformation altérée de l'ADN des spores dans le vide spatial conduisant à différents photoproduits.

Probabilité de transport interplanétaire de micro-organismes par des processus naturels.

En 1903, Svante Arrhenius a publié son article 𠇍ie Verbreitung des Lebens im Weltenraum” (“the Distribution of Life in Space”) dans Die Umschau, fournissant ainsi une justification scientifique à la théorie de la panspermie (4). La théorie, maintenant appelée radiopanspermie (184a), postule que des formes de vie microscopiques, par exemple des spores, peuvent se propager dans l'espace, entraînées par la pression de rayonnement du soleil, semant ainsi la vie d'une planète à une autre ou même entre des planètes de différents systèmes solaires. Arrhenius a basé ses considérations sur le fait que l'espace entre les planètes de notre système solaire regorge de particules de poussière cosmique de la taille d'un micromètre, qui, à une taille critique inférieure à 1,5 μm, seraient emportées par le soleil à grande vitesse propagées par rayonnement. pression du soleil. Cependant, comme son efficacité diminue avec l'augmentation de la taille de la particule, ce mécanisme ne s'applique qu'aux très petites particules, telles que les spores bactériennes uniques. Au final, la panspermie a été fortement critiquée car elle ne répond pas à la question de l'origine de la vie mais la place simplement sur un autre corps céleste sans explication. Il a également été critiqué car il ne peut pas être testé expérimentalement. De plus, il a été suggéré que les spores isolées ne survivraient pas aux forces physiques qui leur sont imposées dans l'espace (191). En conséquence, la panspermie est tombée dans l'oubli.

Le concept de panspermie a été relancé lorsque la technologie a permis d'étudier la survie des spores bactériennes dans l'environnement hostile de l'espace. Comme décrit dans “L'espace extérieur comme banc d'essai pour évaluer les limites de survie des micro-organismes,”, il a été constaté que des spores isolées de B. subtilis ont été tués de plusieurs ordres de grandeur s'ils étaient exposés à l'environnement spatial complet pendant quelques secondes seulement. Ces résultats annulent clairement l'hypothèse originale de la panspermie, qui nécessite des spores uniques en tant que voyageurs de l'espace accélérés par la pression de rayonnement du soleil, nécessitant de nombreuses années pour voyager entre les planètes.

La découverte récente d'environ 40 météorites martiennes sur Terre (73 The Mars Meteorite Compendium [http://curator.jsc.nasa.gov/antmet/mmc/index.cfm]) fournit la preuve que les roches peuvent être transférées naturellement entre les planètes terrestres . Cela était déjà envisagé en 1871 par Hermann von Helmholtz et Lord Kelvin, qui favorisaient une version de la panspermie dans laquelle des fragments de roches extraterrestres transportant des microbes comme passagers aveugles à l'intérieur de leurs fissures transportaient la vie d'une planète à l'autre (184a, 249). Cependant, du vivant de Lord Kelvin, aucun mécanisme n'était connu pour accélérer les roches afin d'échapper aux vitesses afin de quitter leur planète d'origine. Par conséquent, l'idée de Kelvin a été rejetée.

Nous savons maintenant que des météorites martiennes ont été éjectées de Mars à la suite d'impacts d'astéroïdes ou de comètes de la taille d'un kilomètre. Des études pétrographiques de leur métamorphisme de choc et des simulations numériques de l'éjection induite par l'impact de roches martiennes au-delà de la vitesse de fuite pour Mars ont démontré qu'une fenêtre de lancement pour les météorites martiennes existe entre environ 5 et 55 GPa, avec des températures post-choc allant d'environ 100&# x000b0C à 600ଌ (5, 73). Bien que de tels impacts soient très énergétiques, une certaine fraction des éjectas ne sont pas chauffées au-dessus de 100ଌ. Ces fragments à basse température sont éjectés de la zone dite d'éclats, c'est-à-dire la couche superficielle de la cible, où le choc résultant est considérablement réduit par superposition de l'onde de choc réfléchie sur l'onde de choc directe (164). Les estimations suggèrent que dans l'histoire du système solaire, plus d'un milliard de fragments de roche ont été éjectés de Mars à des températures ne dépassant pas 100 ° C, dont environ 5 000 25 pourraient être arrivés sur Terre (167). Par conséquent, les 40 météorites martiennes détectées jusqu'à présent sur Terre ne représentent qu'une fraction infinitésimale de ces importations de Mars vers la Terre. La reconnaissance d'un grand nombre de micro-organismes habitant la croûte terrestre (14, 62, 193) soutient le scénario de la panspermie induit par l'impact et à médiation rocheuse, maintenant appelé “lithopanspermia” (103).

Le scénario de la lithopanspermie implique trois étapes hypothétiques de base : (i) le processus d'échappement, c'est-à-dire le déplacement dans l'espace du matériel biologique, avec la survie d'être soulevé de la surface à des altitudes élevées et d'atteindre des vitesses d'échappement (ii) un état provisoire dans l'espace, c'est-à-dire la survie du matériel biologique sur des échelles de temps comparables au passage interplanétaire et (iii) le processus d'entrée, c'est-à-dire le dépôt non destructif du matériel biologique sur une autre planète (103, 185). Les trois étapes de la lithopanspermie sont désormais accessibles aux tests expérimentaux avec des micro-organismes, soit dans des expériences spatiales, soit à l'aide d'installations de simulation au sol.

Pour répondre à la question de savoir si les micro-organismes endolithiques peuvent survivre aux conditions difficiles d'un impact de météorite et d'un événement d'éjection, des impacts d'hypervitesse ont été simulés dans des expériences de récupération de choc avec une configuration hautement explosive (103, 104, 172, 239) ou en accélérant les microbes chargés. projectiles à l'aide d'un fusil ou d'un pistolet à gaz (31, 32, 161). Dans des expériences de récupération de choc systématique, des plages de pression de 5 à 50 GPa qui imitaient celles observées dans les météorites martiennes ont été appliquées sur des couches sèches de micro-organismes (spores de Bacillus subtilis, cellules de la cyanobactérie endolithique Chroococcidiopsis, et le lichen Xanthoria elegans) qui étaient pris en sandwich entre des disques de rock analogique martien. Grâce à de tels processus d'impact à hypervitesse simulés, les micro-organismes sont soumis à une matrice complexe de paramètres de contrainte physique, y compris (i) des pressions de choc extrêmes définies de 5 à 50 GPa (ii) des augmentations de température de choc maximales pouvant atteindre environ 1 000 ° C, d'une durée de nanosecondes (iii) augmentations de la température de choc jusqu'à 200ଌ, durant des fractions de μs (iv) augmentations de température post-choc allant jusqu'à 300ଌ, durant plusieurs secondes à quelques minutes et enfin, (v) contrainte mécanique par friction et/ou écrasement. L'amplitude de la température dépend non seulement de la température avant le choc, mais aussi de la composition minéralogique, de la porosité et de la teneur en eau de la roche hôte de l'échantillon. Traitement hypervitesse des spores de B. subtilis a entraîné une courbe de survie presque exponentielle (Fig. ​ (Fig.16). 16). Sa pente diminuait avec la diminution de la température avant le choc, indiquant qu'en plus du stress mécanique potentiel exercé par la pression du choc, les températures de pic élevées qui l'accompagnaient étaient également un paramètre de stress critique pour les spores. De plus, la pression appliquée a induit des mutants défectueux pour la sporulation avec une fréquence élevée (jusqu'à 9%), de manière linéaire (172). Spores de B. subtilis les souches défectueuses dans les principaux SASP (α/β-type SASP) qui protègent largement l'ADN des spores et des souches déficientes dans la réparation de l'ADN NHEJ étaient significativement plus sensibles à la pression de choc appliquée que les spores de type sauvage. Ces résultats suggèrent que l'ADN peut être la cible sensible prédominante des spores exposées à des pressions de choc ultra-élevées (172). À partir des courbes de survie de pression pour les différents organismes testés (Fig. ​ (Fig.16), 16), une fenêtre de lancement vitale pour le transport de micro-organismes colonisateurs de roches à partir d'une planète semblable à Mars a été déduite qui englobe les pressions de choc dans le plage de 5 à environ 40 GPa pour les endospores bactériennes et les lichens, avec une plage plus limitée pour les cyanobactéries endolithiques (de 5 à 10 GPa). Ces fenêtres de lancement vitales pour les spores bactériennes sont suffisamment grandes pour soutenir le concept d'éjections d'impact viables de planètes semblables à Mars (103, 239), bien que le filtre de dispersion limité de 5 à 10 GPa pour les cyanobactéries révèle des barrières possibles à l'inoculation croisée de la photosynthèse. entre les planètes (40).

Survie en fonction de la pression de choc appliquée lors d'expériences de récupération de choc avec des spores de B. subtilis TKL 6312 et cellules de Chroococcidiopsis sp. (A) et la vitalité de Xanthoria elegans des mycobiontes et des photobiontes de lichen enfermés dans des plaques de gabbro (B). Les cercles vides indiquent la survie en dessous du seuil de détection. (Modifié à partir de la référence 103 avec la permission de l'éditeur.)

Le transfert de microbes viables d'une planète à une autre nécessite que les micro-organismes survivent non seulement au processus d'évasion mais aussi au voyage dans l'espace dans les échelles de temps vécues par les météorites martiennes, c'est-à-dire entre 1 et 20 millions d'années. Cependant, un petit pourcentage de météorites pourrait voyager en quelques mois ou années entre la Terre et Mars ou vice versa, comme l'ont montré les calculs de modèles (164a). Pour survivre au voyage dans l'espace, les micro-organismes doivent être protégés du rayonnement UV solaire. Ceci peut être réalisé en étant recouvert de couches de poussière de différentes épaisseurs. En utilisant l'installation Biopan de l'ESA pour des expériences spatiales de 2 semaines, il a été démontré que le mélange de spores de B. subtilis avec de l'argile, de la roche ou de la poudre de météorite ont augmenté leur survie de 3 à 4 ordres de grandeur par rapport à ceux sans aucun additif (110). L'incorporation des spores dans une « météorite cartilagineuse », c'est-à-dire une sphère de 1 cm de diamètre composée d'argile ou de grès rouge, a permis d'obtenir jusqu'à 100 % de survie (Fig. ). Cependant, on peut se demander si la protection UV par la poussière démontrée dans les expériences Biopan tient pour des temps d'exposition plus longs dans l'espace. Des études d'exposition de trois mois à bord du MIR station n'a montré qu'une légère augmentation de la survie, d'environ 1 ordre de grandeur, si les spores étaient mélangées avec de la poudre d'argile ou diverses météorites (220). Cependant, si elles sont complètement protégées du rayonnement UV extraterrestre solaire, les spores de B. subtilis peut survivre pendant des années dans l'espace, comme le montre l'expérience Exostack à bord de la mission LDEF de près de 6 ans (Fig. ​ (Fig.14) 14 ) (105).

Enfin, s'ils ne sont pas suffisamment protégés par des météorites, les microbes peuvent être affectés par les composants ionisants du GCR. En particulier, les particules HZE du rayonnement cosmique galactique causent le plus de dommages aux systèmes biologiques. Cependant, en raison de leur faible flux (par exemple, 1 ion Fe par μm 2 par 100 000 à 1 million d'années, ce qui correspond à la limite de temps inférieure pour que les météorites martiennes se rendent sur Terre) (80), les dommages sont localisés, et peu de micro-organismes subissent des coups dans les échelles de temps d'un voyage interplanétaire. De plus, le rayonnement émanant de l'intérieur d'une roche, de la décomposition des éléments constituant les minéraux (par exemple, le potassium), entraînerait de graves dommages aux cellules et la mort au cours de millions d'années. Tenant compte de la probabilité de survie par rapport au mélange complexe de dangers dans l'espace, c'est-à-dire les dommages causés par les radiations, la désintégration de l'ADN par hydrolyse et l'exposition au vide, Mileikowsky et al. (167) ont montré dans une étude quantitative que le transfert naturel de microbes viables de Mars à la Terre et vice versa via des roches martiennes d'au moins 1 m est un processus hautement probable qui aurait pu se produire plusieurs fois au cours de l'histoire de notre système solaire. Cependant, des spores bactériennes uniques, comme suggéré par l'hypothèse originale de la panspermie (4), seraient tuées en quelques minutes par le rayonnement UV solaire énergétique (110). Des modèles de calcul ont montré que le transport de micro-organismes viables via des éjectas entre des planètes de différents systèmes solaires semble très improbable, même si l'on suppose que les microbes peuvent survivre dans l'espace pendant des dizaines de millions d'années (253). Cependant, si l'on considère qu'un système stellaire se forme au sein d'un amas d'étoiles, comme supposé pour notre système solaire, alors on ne peut exclure la possibilité d'un transfert de vie entre les systèmes frères (253).

Lorsqu'elles sont capturées par une planète avec une atmosphère, la plupart des météorites sont soumises à des températures très élevées lors de l'atterrissage. Étant donné que l'ensemble du processus de rentrée ne prend que quelques secondes à 1 minute, les couches les plus externes forment une croûte de fusion, de sorte que la chaleur n'atteint pas les parties internes de la météorite. Par conséquent, à l'exception de quelques mm ou cm de croûte d'ablation à la surface, l'intérieur de la météorite n'est pas chauffé de manière significative au-dessus de sa température dans l'espace (discutée dans la référence 63). Pour étudier les changements minéralogiques des roches, la stabilité des microfossiles enfermés et la survie des micro-organismes endolithiques pendant le processus de rentrée, l'ESA a développé l'installation STONE, qui est attachée au bouclier thermique d'un photo satellite (Fig. ​ (Fig.17) 17 ) (23, 24, 42, 262). L'objectif était de simuler l'entrée d'une météorite dans l'atmosphère terrestre. Dans les roches ignées ou sédimentaires de 2 cm d'épaisseur ou moins, des trous ont été forés sur la face arrière et chargés de micro-organismes (spores de B. subtilis et le champignon Ulocladium atrum et les cellules de la cyanobactérie endolithique résistante aux radiations et à la dessiccation Chroococcidiopsis sp.) (24, 42). De plus, le lichen Rhizocarpon geographique, sur son habitat granitique naturel, a été monté dans l'installation STONE, face à l'arrière. Les photo capsule avec l'installation STONE est entrée dans l'atmosphère terrestre avec une vitesse de 7,7 km/s, une vitesse inférieure aux 12 à 20 km/s des météorites de taille moyenne. Au cours du processus d'entrée, les échantillons ont subi des températures suffisamment élevées pour faire fondre la silice et le basalte. Ces températures ont provoqué le développement d'une croûte de fusion sur les échantillons. Aucun des échantillons biologiques n'a survécu à cette entrée atmosphérique (262).Il a été avancé que la couverture rocheuse de 2 cm n'était pas assez épaisse pour protéger les micro-organismes ou que les gaz chauds libérés pendant l'ablation envahissaient l'espace entre l'échantillon et le porte-échantillon, entraînant un échauffement local intense. Cette hypothèse a été confirmée par la fusion superficielle observée sur les surfaces non exposées des échantillons de roche (24). Afin d'effectuer une simulation plus réaliste de la rentrée des météorites transportant des micro-organismes endolithiques, l'installation STONE doit être modifiée afin de pouvoir accueillir des échantillons de roche plus importants.

Installation PIERRE montée sur le point d'arrêt du photo capsule de rentrée, avant le lancement (A) et après la rentrée et l'atterrissage (B). (Avec l'aimable autorisation de l'ESA.)

Dans une autre approche pour simuler l'entrée à hypervitesse des météorites depuis l'espace, des fusées-sondes ont été utilisées, avec des échantillons de granit imprégnés de spores de B. subtilis WN511 attaché à divers sites à la surface de la fusée (63). Dans ce cas, la vitesse d'entrée était de 1,2 km/s et la température a atteint 145ଌ, une température bien inférieure à celle d'une situation réelle d'entrée de météorite. De 1 à 4 spores survivantes ont été isolées de toutes les surfaces, à l'exception de la surface orientée vers l'avant. Il est intéressant de noter que parmi les survivants, environ 4% ont développé des mutants sporulés défectueux, un phénomène également observé après des impacts d'hypervitesse agissant sur les spores de B. subtilis (172).

Un autre exemple d'une entrée « sûre » de micro-organismes a été signalé après l'accident tragique du Colombie navette spatiale STS-107, qui s'est désintégrée lors de la rentrée à une altitude de 61,2 km. Colombie a accueilli une expérience microbiologique utilisant des populations adhérant à la surface de E. coli ATCC 23848, Chromobacterium violaceum ATCC 12472, et Pseudomonas aeruginosa PAO1. Aucun de ces micro-organismes n'a survécu au crash. Cependant, une bactérie à croissance lente et résistante à la chaleur, identifiée comme Microbispora sp., a été récupéré à partir du matériel de l'expérience. On supposait que Microbispora sp. était un contaminant environnemental de la charge utile avant le lancement (162). Un autre exemple est le nématode Caenorhabditis elegans, qui a été développé à bord de STS-107 (la navette spatiale Colombie). Au cours de l'effort de récupération massif, des organismes vivants ont été récupérés (241). Ces données démontrent que les animaux peuvent survivre à une rentrée relativement non protégée dans l'atmosphère terrestre, ce qui a des implications en ce qui concerne l'emballage de la matière vivante pendant le vol spatial, la protection planétaire et le transfert interplanétaire de la vie.

Aspects appliqués

Bioproduction de composés pharmaceutiques en orbite.

Une plate-forme de recherche biologique en vol spatial offre un potentiel d'applications commerciales au-delà des études de base décrites précédemment, qui visaient à caractériser comment la gravité influence les phénomènes cellulaires. L'objectif dans ce cas n'est pas tant une tentative d'élucider comment la microgravité modifie les réponses biologiques normales, mais plutôt d'aborder la recherche appliquée, en mettant l'accent sur la façon dont la microgravité peut être utilisée pour manipuler des processus au niveau moléculaire ou cellulaire afin d'améliorer un résultat souhaité. L'un des attributs les plus distinctifs du biotraitement dans l'espace peut résider dans la capacité de maintenir les cellules en suspension dans un milieu fluide sans transmettre les forces de cisaillement importantes qui accompagnent souvent les systèmes terrestres agités (133). La recherche pharmaceutique spatiale offre une opportunité d'améliorer notre compréhension de la façon dont les bioprocédés se produisent en supprimant l'influence toujours présente de la gravité d'une cellule et de son environnement environnant. Cet environnement de recherche unique ouvre de nouveaux horizons pour explorer des techniques de biotraitement non conventionnelles, peut-être dans un premier temps pour acquérir des connaissances à appliquer dans des installations de production terrestres, mais aussi pour des visions futures de produits spatiaux avec une valeur ajoutée suffisante pour garantir une production en orbite commercialement viable.

(i) Production de métabolites secondaires.

Basé sur des recherches fondamentales montrant que le vol spatial est généralement propice à la croissance bactérienne, il a été émis l'hypothèse que la production de métabolites secondaires d'intérêt commercial pourrait également être améliorée. Dans la première d'une série d'expériences visant à caractériser cette réponse, Lam et al. (143) a montré que la production de monorden par le champignon Humicola fuscoatra a augmenté lorsqu'il a été cultivé sur deux milieux gélosés solides différents dans l'espace. Fait intéressant, l'augmentation a été attribuée à l'amélioration de la productivité spécifique, car les biomasses fongiques n'étaient pas significativement différentes entre les cultures en vol et au sol. Une expérience de vol spatial de suivi a également montré une productivité spécifique de l'actinomycine D par Streptomyces plicatus en suspension à augmenter également (142). Dans un effort connexe, Brown et al. (27) ont trouvé que E. coli non seulement atteint des concentrations cellulaires plus élevées dans l'espace (et sous clinorotation), mais l'a également fait sans consommer plus de glucose, ce qui suggère qu'un processus d'utilisation des nutriments plus efficace accompagnait les gains de croissance. Ces études prometteuses ont abouti à une expérience menée à l'aide d'un réacteur à alimentation discontinue automatisé placé à bord de l'ISS, qui a corroboré les conclusions selon lesquelles la production d'actinomycine D par Streptomyces plicatus augmenté au cours des 2 premières semaines de la mission. Les échantillons prélevés par la suite pendant le reste de l'incubation de 72 jours ont cependant donné des résultats inversés, les contrôles au sol surpassant les cultures en vol (18). Ces résultats disparates suggèrent que des études à plus long terme dans l'espace peuvent être nécessaires pour caractériser pleinement comment les micro-organismes se comportent finalement sur de longues périodes.

Une autre étude de production d'antibiotiques, menée à l'aide de kanglemycine C (K-C), un immunosuppresseur isolé du bouillon de culture de Nocardia mediterranei var. kanglensis 1747-64, a été réalisée en 2002 à bord d'un véhicule chinois sans pilote, Shenzhou III. Une variété de résultats ont été signalés, allant d'une augmentation de rendement observée jusqu'à 12,5 ± 0,2 μg/ml à une morphologie et des caractéristiques de culture modifiées de la souche mutante F-210 (268).

Des recherches supplémentaires au sol visant à évaluer la production de métabolites secondaires ont été menées à l'aide de la technique de simulation de la microgravité du bioréacteur RWV. Fang et al. (66) ont examiné l'effet de la microgravité simulée sur la production de rapamycine par Streptomyces hygroscopicus et ont signalé une diminution du poids des cellules sèches, avec une croissance se produisant sous forme de culot et une inhibition de la production de rapamycine. L'ajout de billes a diminué la granulation et augmenté le poids des cellules sèches sans affecter la production de rapamycine, et il est intéressant de noter qu'une quantité proportionnellement plus grande de rapamycine a été localisée de manière extracellulaire dans l'environnement de microgravité simulé, avec et sans billes, que dans des conditions de gravité normales (65, 76, 85).

(ii) Développement de vaccins.

Une série d'expériences de développement de vaccins parrainés commercialement a été réalisée sur la base d'une virulence microbienne altérée en vol spatial. Ces opportunités, désormais réalisées à bord de l'ISS, font partie des missions National Lab Pathfinder (NLP). L'objectif des projets PNL est de développer un vaccin contre les souches diarrhéiques de Salmonelle, pour laquelle aucun vaccin n'est actuellement disponible. L'étude est menée en lançant S. enterica et Caenorhabditis elegans vers en confinement isolé, après quoi ils sont mélangés en série, cultivés et fixés en vol. Plus d'informations sont disponibles sur les sites Web de la NASA suivants : http://www.nasa.gov/mission_pages/station/science/experiments/NLP-Vaccine-1A.html, http://www.nasa.gov/mission_pages/station/ science/experiments/NLP-Vaccine-1B.html, http://www.nasa.gov/mission_pages/station/science/experiments/NLP-Vaccine-2.html et http://www.nasa.gov/mission_pages /station/science/experiments/NLP-Vaccine-3.html.

Ces études pilotes prometteuses suggèrent des applications commerciales bénéfiques potentielles de l'amélioration de l'efficacité de la production d'antibiotiques et du développement de nouveaux vaccins à partir de la recherche spatiale microbienne. Cependant, les résultats concluants de cette recherche ne sont pas encore disponibles.

Virulence microbienne et résistance aux médicaments dans l'espace.

Au-delà des résultats décrits ci-dessus indiquant que les bactéries ont généralement tendance à bien se porter dans l'espace en termes de phase de latence réduite, d'augmentation de la croissance de la population et de production potentiellement accrue de métabolites secondaires, d'autres expériences suggèrent en outre que l'efficacité des antibiotiques contre les micro-organismes peut être réduite et la virulence microbienne peut être augmenté (186, 250). Ces facteurs, combinés au potentiel d'immunosuppression soupçonné de se produire chez les astronautes en raison de divers facteurs de stress liés aux vols spatiaux, posent des problèmes de santé croissants à mesure que les missions spatiales humaines s'allongent et, plus important encore, s'éloignent de la Terre (134).

(i) Résistance microbienne aux médicaments.

Leys et al. (146) ont rapporté que des concentrations significativement plus élevées de divers antibiotiques étaient nécessaires pour inhiber in vitro croissance bactérienne dans l'espace. Cependant, les explications de ces observations ne sont pas encore totalement connues. Deux hypothèses quelque peu concurrentes peuvent être posées pour traiter ce résultat observé. Soit la résistance bactérienne est augmentée dans l'espace, soit l'efficacité globale du médicament et/ou le taux d'absorption est réduit. Les deux scénarios peuvent vraisemblablement entraîner une croissance visible se produisant dans l'espace (ou dans un environnement spatial simulé) sur des supports contenant un antibiotique CMI déterminé empiriquement sous 1 × g conditions.

Des recherches récentes se sont tournées vers l'analyse de l'expression génique pour tenter de caractériser les réponses des cellules provoquées par les antibiotiques dans l'espace et dans les installations d'analogues clinostat (2). La voie RpoS est l'un des principaux régulateurs de E. coli et Salmonelle réponses au stress. Wilson et al. (266) ont comparé les réponses au stress de type sauvage et dpS souches mutantes. Comme les deux souches étaient affectées de la même manière, ils ont conclu que la réponse au stress était dpS indépendant sous microgravité simulée. La résistance au stress acide, au stress thermique et au stress osmotique et la capacité de survie dans les macrophages ont également été signalées comme étant augmentées dans les conditions spatiales simulées, tandis que la résistance au stress oxydatif a diminué. Il a été suggéré que la voie de réponse au stress semble être compensatoire en permettant à la dpS mutant pour présenter des réponses similaires à celles du type sauvage qui ne sont pas observées dans la normale 1 × g conditions. Bien que la croissance dans l'environnement spatial simulé n'ait pas été signalée comme ayant un effet sur dpS l'expression du gène régulon, un certain nombre d'autres modèles d'expression génique altérés ont été indiqués.

Lynch et al. (155) ont également signalé que E. coli les cellules cultivées dans des conditions de microgravité simulée étaient plus résistantes au stress hyperosmotique et acide, pendant les phases de croissance exponentielle et stationnaire, que leurs homologues 1 × g les contrôles. Pour les deux types de choc, les cellules cultivées sous clinorotation avaient un taux de survie d'environ 50 %, par rapport à une perte presque complète de viabilité en gravité normale. Au cours de la phase de croissance exponentielle, les changements se sont avérés être dpS indépendant, conduisant à la conclusion que l'augmentation de la réponse au stress était due à des changements dans une voie de réponse au stress générale non découverte auparavant. En phase stationnaire, cependant, la réponse au stress s'est avérée dépendante de dpS, car les souches de type sauvage présentaient une plus grande résistance que dpS mutants. Les cellules en phase stationnaire cultivées sous clinorotation avaient une plus grande résistance que les cellules en gravité normale, conduisant à la formation de cellules superrésistantes. Caractéristiques transcriptionnelles et traductionnelles de dpS ont également été examinés. Il est intéressant de noter que la concentration en protéines σ dans les cellules clinorotées s'est avérée 30% inférieure pendant la phase exponentielle et 100% plus élevée pendant la phase stationnaire. Pendant ce temps, les nombres de copies d'ARNm étaient similaires entre le clinostat et les conditions de gravité normale pour toutes les phases de croissance. En phase exponentielle, la stabilité de l'ARNm n'était pas affectée, donc le taux de transcription n'était pas non plus affecté. La stabilité de l'ARNm a été augmentée en phase stationnaire, avec une différence de deux fois notée entre les échantillons de clinostat et 1 × g contrôles, de sorte que le taux de transcription en phase stationnaire était apparemment réduit dans des conditions de vol spatial simulées. Il a été conclu que la régulation transcriptionnelle ne tenait pas compte des différences de concentration en protéines sigma. De plus, il a été constaté que la stabilité des protéines était diminuée sous clinorotation pendant la croissance exponentielle, avec une légère diminution persistant dans la phase stationnaire. Pour tenir compte des différences de concentration en protéines, il a été suggéré que le taux de traduction et l'efficacité étaient augmentés dans le clinostat par rapport à ceux en gravité normale. Ces différences observées permettent d'identifier les mécanismes sous-jacents dépendant de la gravité associés aux réponses microbiennes aux stress environnementaux.

Alors que l'augmentation de la résistance aux médicaments de la cellule a généralement été supposée pour la microgravité, au moins un rapport a suggéré que les conditions environnementales du vol spatial peuvent également affecter la stabilité des produits pharmaceutiques (59), et une autre étude a indiqué qu'aucune résistance aux médicaments résiduelle claire ne subsistait dans les bactéries. cultures testées après le vol (125). Ces résultats, ainsi que les facteurs de transfert de masse extracellulaire réduits en microgravité décrits précédemment, justifient des recherches supplémentaires pour déterminer si les observations de bactéries se développant dans des conditions normalement minimales d'inhibition (CMI) avec un antibiotique en vol spatial ont un effet physiologique ou physique (c'est-à-dire environnemental ) base ou une combinaison des deux.

(ii) Virulence et pathogénicité.

En plus de la possibilité que les bactéries deviennent plus difficiles à traiter avec des antibiotiques dans l'espace (ou des analogues de microgravité simulée), il existe de plus en plus de preuves qu'elles peuvent également devenir plus pathogènes. Nickerson et al. (188) a montré une virulence accrue de S. enterica sérovar Typhimurium suite à une croissance en microgravité simulée en infectant des souris avec des cultures cultivées dans des conditions de microgravité simulées et en les comparant à des souris infectées avec des cultures cultivées sous 1 × g conditions. Les cultures spatiales simulées se sont également révélées plus résistantes aux conditions acides, suggérant la possibilité d'une survie améliorée dans le tractus gastro-intestinal. L'expression des protéines bactériennes a été altérée au cours de la croissance, comme déterminé par électrophorèse sur gel.

Un autre facteur contributif a été suggéré par Poudrier (203), qui a signalé que les bactéries avaient tendance à mieux adhérer aux cellules humaines en microgravité simulée que dans des conditions normales de 1 × g. De plus, l'expression des gènes et des protéines s'est avérée modifiée pour le groupe expérimental en particulier, une protéine d'adhésion et une protéine véhiculant la résistance au triméthoprime-sulfaméthoxazole ont toutes deux été régulées à la hausse.

Bien qu'aucune corrélation définitive n'ait été établie concernant la façon dont les vols spatiaux induisent ces diverses découvertes d'expression génétique altérée, Nickerson et al. (187) ont proposé qu'un signal régulateur global puisse affecter l'expression des gènes, les réponses physiologiques et la pathogenèse. Wilson et al. (265) ont montré que les augmentations induites par les vols spatiaux Salmonelle virulence sont régulées par la composition ionique du milieu et que les ions phosphate sont suffisants pour modifier les réponses de pathogenèse associées dans un modèle analogue de vol spatial. Bien qu'il ne soit pas clair exactement comment les bactéries perçoivent les changements associés aux vols spatiaux dans leur environnement de croissance et comment ces changements se traduisent par des phénotypes modifiés pertinents pour l'infection, l'identification de paradigmes régulateurs conservés au cours de l'évolution dans ces études et d'autres phénomènes connexes décrivant des réponses communes à l'espace et à la microgravité simulée les environnements, ainsi que les mécanismes potentiels présentant des influences mondiales sur les espèces microbiennes, fournissent collectivement une base intrigante que la recherche en cours continue d'explorer.

Une récente expérience de la navette spatiale de 2008 menée sur STS-123, l'étude Microbial Drug Resistance Virulence (MDRV) (http://www.nasa.gov/mission_pages/station/science/experiments/MDRV.html), a soutenu quatre équipes de chercheurs indépendants. (celles de Niesel, McGinnis, Pyle et Nickerson) dans le but de caractériser l'expression des gènes et le potentiel de virulence de quatre micro-organismes modèles : Salmonella enterica sérovar Typhimurium, Streptococcus pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa, et Saccharomyces cerevisiae. Wilson et al. (263) a proposé que hfq pourrait avoir un rôle de régulateur mondial dans la réponse aux vols spatiaux en modifiant l'expression et la virulence des gènes bactériens. Altérations induites par les vols spatiaux dans S. enterica La virulence du sérovar Typhimurium a été caractérisée pour des cultures cultivées dans des milieux riches en nutriments et comparée à la croissance dans des milieux limités en nutriments afin d'examiner les réponses physiologiques et de virulence à divers états nutritionnels. En plus de reproduire les résultats antérieurs, Wilson et al. (265) ont également testé une nouvelle hypothèse, selon laquelle la modulation de la concentration ionique peut contrecarrer ou inhiber les réponses pathogènes associées aux vols spatiaux chez les micro-organismes. Expression de gènes bactériens de facteurs de virulence spécifiques pour S. pneumoniae et P. aeruginosa a été caractérisé de manière similaire dans des ensembles définis de conditions expérimentales pour la comparaison entre les différentes expériences. Résistance de S. cerevisiae à l'agent antifongique voriconazole a également été examiné. Les résultats complets sont en attente.

Micro-organismes dans l'environnement des engins spatiaux.

Bien que cet examen se soit jusqu'à présent principalement concentré sur différentes catégories de in vitro recherche menée en exposant des micro-organismes à divers aspects de l'environnement spatial, il est important de noter que leur présence accompagnera inévitablement toute mission avec des humains à bord. l'environnement des engins spatiaux et vers leur impact potentiel sur la santé des équipages. Comme c'est le cas sur Terre, cependant, les microbes ne sont pas seulement une cause de préoccupation pour la santé et la contamination, mais peuvent également servir de moyen pour fournir des bioprocédés bénéfiques. En fait, de nombreuses fonctions vitales requises dans un vaisseau spatial occupé par des humains peuvent être exécutées par des micro-organismes (par exemple, la dégradation des déchets, la récupération de l'eau et même la production de nourriture et d'oxygène). Par conséquent, en plus des problèmes potentiels de santé de l'équipage et de contamination environnementale que les microbes peuvent présenter, les missions à long terme exigeront finalement que des systèmes biologiques soient intégrés dans le vaisseau spatial par conception pour permettre des fonctions régénératives et durables de soutien à la vie. Cela devient de plus en plus probable et nécessaire à mesure que les astronautes se dirigent vers l'autosuffisance, avec une dépendance moindre vis-à-vis des missions de réapprovisionnement en consommables depuis la Terre.

(i) Composition et évolution de la microflore.

Comme observé dans des conditions expérimentales contrôlées, le comportement microbien est affecté de nombreuses manières par suite de l'exposition aux vols spatiaux. Il en va de même pour les microbes qui accompagnent inévitablement les humains vivant dans un environnement de vaisseau spatial fermé, à la fois du fait des consortiums de microflore transportés par l'équipage et de la présence de contaminants microbiens qui en résulte dans l'air et l'eau ainsi que sur les surfaces exposées à l'intérieur du véhicule. En plus des questions concernant la santé de l'équipage, les contaminants microbiens peuvent également avoir des effets néfastes sur l'avionique et les systèmes d'engins spatiaux. La formation de biofilm dans l'espace a été démontrée sous contrôle in vitro conditions (163), et le potentiel de dommages matériels aux composants de l'engin spatial en conséquence a été noté (189).

(ii) Santé de l'équipage.

La principale préoccupation concernant la santé de l'équipage est caractérisée par l'activation d'agents pathogènes opportunistes qui se sont accumulés dans les environnements fermés des engins spatiaux de longue durée (119). Comme décrit précédemment, in vitro des études suggèrent que les microbes peuvent même devenir plus pathogènes et également résistants au traitement antibiotique (134) en raison des conditions environnementales rencontrées pendant le vol spatial. Pour compliquer davantage la situation, les vols spatiaux semblent également avoir un impact négatif sur le système immunitaire (227), bien que des rapports contradictoires indiquent qu'il existe une grande variation entre les individus et les missions. Par conséquent, ces effets ne sont toujours pas bien compris et de meilleures méthodologies sont nécessaires pour caractériser pleinement la dynamique de la réponse immunitaire en vol (19). Le risque d'apparition de maladies infectieuses augmente avec la durée des missions.

D'autres facteurs, tels que vivre et travailler dans des conditions relativement surpeuplées ainsi que l'utilisation d'eau et d'air récupérés, contribuent à ce risque. Les problèmes de santé associés aux avant-postes en équipage permanent sur la Lune ou à une mission d'exploration de Mars peuvent être encore plus importants compte tenu des variables inconnues supplémentaires associées à ces environnements. Enfin, les limitations des technologies de diagnostic et de traitement augmentent encore les conséquences d'une immunité compromise, et comme les missions s'étendent loin de la Terre, le retour de l'équipage en cas d'urgence n'est plus une option envisageable (113, 199).

Meilleure collecte de données in vivo pendant le vol sans affecter le résultat mesuré souhaité est nécessaire afin de bien comprendre le processus de réponse immunitaire. Pour ce faire, il faut à la fois l'identification du ou des biomarqueurs appropriés à mesurer et un dispositif capable d'effectuer l'analyse à bord du véhicule. Les marqueurs candidats tels que les cytokines, les catécholamines et d'autres hormones peuvent donner un aperçu de la fonctionnalité du système immunitaire. caractérisent pleinement toutes les possibilités (3). Une autre approche de surveillance basée sur l'ARN a été suggérée par Larios-Sanz et al. (144). À l'aide de balises moléculaires ciblées par l'ARNr 16S, des groupements bactériens spécifiques se sont avérés détectables avec une méthodologie qui se prête à la surveillance en vol.

Enfin, en acceptant que l'infection se produise à un moment donné d'une mission de longue durée, quelles que soient les mesures d'atténuation des risques prises, un traitement efficace doit également être envisagé. Une gamme d'agents pharmaceutiques destinés à supprimer l'émergence d'agents pathogènes résistants aux antibiotiques est présentée par Taylor et Sommer (247) pour définir les besoins en pharmacie à bord et les protocoles de traitement applicables au vol spatial. Un tel aperçu est un élément nécessaire au développement d'un système de soins de santé intégré pour les équipages pour les missions d'exploration qui se déplacent au-delà de l'orbite terrestre basse.

(iii) L'environnement de l'engin spatial.

Diverses études ont été réalisées pour tenter de caractériser, surveiller et contrôler la contamination microbienne dans le vaisseau spatial de telle sorte qu'un état équilibré soit atteint entre les effets délétères, négligeables et souhaités (37, 141, 189, 199). Une vaste base de données de paramètres microbiologiques environnementaux a été cataloguée pour les vols de courte durée de plus de 100 missions de navette spatiale. De même, l'association NASA-MIR Le programme de la fin des années 90 a fourni des données pour les missions de longue durée. Fait intéressant, les principales espèces bactériennes et fongiques trouvées dans la navette spatiale sont similaires à celles rencontrées après 15 ans d'exploitation dans le MIR station spatiale (199). Également intéressant, la charge microbienne sur MIR ne s'est pas avérée progresser de manière linéaire, mais plutôt par un processus d'alternance entre les phases d'activation et de stabilisation de la microflore (189).

L'ISS a mis l'accent sur la mise en place de mesures préventives par le biais de pratiques d'entretien régulières, y compris des inspections visuelles et une surveillance microbiologique. Novikova et al. (190) ont fourni une enquête sur la contamination microbiologique trouvée dans l'eau potable et l'air et sur les surfaces à l'intérieur de l'ISS, y compris la présence de plusieurs agents pathogènes et souches opportunistes impliqués dans la biodégradation des matériaux de structure.

Dans un système isolé et fermé sur le plan environnemental, comme les stations spatiales de longue durée, les engins spatiaux ou les habitats planétaires, le potentiel de formation de biofilms sur tous les types de matériaux doit également être pris en compte. Composer le général in vitro augmentation de la résistance aux antibiotiques signalée pour l'espace, la formation de biofilm est également connue, en elle-même, pour augmenter la résistance aux antibiotiques de 10 à 1 000 fois par rapport à celle des bactéries planctoniques (156). Il est intéressant de noter que certains des mécanismes hypothétiques relatifs à la résistance aux biofilms, tels que l'environnement hétérogène résultant des gradients de nutriments et de déchets dans la communauté, sont similaires à ceux que l'on pense provoquer des changements dans l'efficacité des antibiotiques liés aux vols spatiaux. Morse et Jackson (177) ont décrit le potentiel de développement de souches résistantes dans un système de récupération d'eau de vaisseau spatial.

Semblable aux besoins de détection des problèmes de santé de l'équipage, une surveillance microbienne est également nécessaire pour déterminer la microflore dynamique résidente dans tout le vaisseau spatial. La Duc et al. (141) ont ciblé plusieurs biomarqueurs, tels que l'ATP, le LPS et l'ADN (ribosomal ou spécifique aux spores), pour quantifier la charge microbienne totale et des types spécifiques de contamination microbienne sur les surfaces à l'intérieur du vaisseau spatial et dans les réservoirs d'eau potable à bord de l'ISS. Bacille espèces se sont avérées dominantes parmi les formateurs de spores en utilisant des techniques dépendantes de la culture. En revanche, les techniques de dénombrement rapide et indépendantes de la culture ont révélé la présence de nombreux micro-organismes Gram-positifs et Gram-négatifs, y compris les actinomycètes et les champignons. La présence de microbes cultivables et non cultivables a été confirmée par des techniques de détection basées sur l'ADN. Bien que l'eau potable de l'ISS ne contenait pas de microbes cultivables, les techniques moléculaires ont récupéré des séquences d'ADN de nombreux agents pathogènes opportunistes.

Romain et al. (224) ont également étudié un assemblage de tuyau flexible utilisé pour refroidir les combinaisons spatiales et contenant un liquide de refroidissement aqueux non potable et de l'eau iodée provenant de l'ISS. La chimie des fluides et les changements de pH se sont avérés accompagner une augmentation des micro-organismes planctoniques de 𼄀 CFU par 100 ml à environ 1 million CFU par 100 ml. Une population microbienne stable a été notée comme précurseur de la formation de biofilms sur les matériaux mouillés dans le système, notamment l'acier inoxydable, le titane, le caoutchouc éthylène-propylène et les résines époxy. Bien qu'elle ne soit pas trouvée ici, la formation de biofilm dans ce contexte entraverait l'écoulement du liquide de refroidissement, réduirait le transfert de chaleur, amplifierait la dégradation des matériaux du système initiée par la corrosion chimique et améliorerait la formation de tartre minéral. Les soins préventifs peuvent inclure l'utilisation d'antimicrobiens dans des systèmes de transport de fluides comme celui-ci.

Les données accumulées offrent la preuve que le contrôle des niveaux microbiens dans tout le vaisseau spatial est nécessaire pour maintenir un optimum sanitaire et microbiologique souhaité afin d'éviter la possibilité de biodestruction matérielle (189). Ott et al. (195) ont décrit en outre la présence de bactéries, de champignons et d'autres organismes vivant dans des condensats liquides trouvés piégés derrière les tableaux de bord à bord du MIR station spatiale. Ces masses flottantes présentent des dangers à la fois pour l'équipage et pour le système de l'engin spatial. Dans un cercle complet d'analyse, Baker et Leff (7, 8) ont examiné les effets de la microgravité simulée sur les cultures bactériennes obtenues à partir de MIR et l'ISS après son retour sur Terre. Diverses réponses de croissance ont été résumées et les résultats ont été interprétés comme indiquant que la sélection dans un environnement oligotrophe en microgravité conduit à des bactéries mieux adaptées aux conditions environnementales de microgravité/ISS. Si cette conclusion s'avère valide, des complications supplémentaires seront introduites concernant la nécessité de comprendre les pressions évolutives exercées sur les micro-organismes par l'environnement des vols spatiaux (ou des engins spatiaux).

(iv) Systèmes de survie basés sur la biologie.

Une note finale est faite concernant l'utilisation bénéfique des micro-organismes et d'autres systèmes biologiques pour fournir des fonctions régénérables de maintien de la vie pour une habitation spatiale à long terme. Au fur et à mesure que les missions s'allongent et s'éloignent, les processus de biorégénération qui imitent la biosphère naturelle de la Terre offrent un potentiel croissant d'économies de masse et de coûts par rapport à la nécessité d'un réapprovisionnement périodique en consommables. Alors que les plantes constituent un moyen principal de récupérer l'oxygène du dioxyde de carbone, de purifier l'eau par filtration de la transpiration et de fournir de la biomasse comestible, les bactéries, les champignons et les cyanobactéries sont également des candidats pour effectuer une variété de processus, y compris la production de vitamines, le recyclage de l'eau, la décontamination de l'air, et gestion des déchets (91, 175, 222). De nombreux défis existent dans la création d'un mélange stable d'agents biologiques capables de fournir des fonctions de maintien de la vie contrôlées et durables dans un système fermé (184). L'utilisation d'un avant-poste lunaire comme banc d'essai opérationnel est une possibilité pour valider l'inclusion et vérifier les performances d'un système de support de vie biologique destiné à un futur habitat martien. Un travail considérable reste à faire pour mener à bien un tel système, et les micro-organismes joueront certainement un rôle dans la conception finale.

Perspectives et orientations futures

Avec des plans internationaux formulés pour l'exploration du système solaire, soit à l'aide de sondes robotiques, soit avec des équipages humains, les microbiologistes sont confrontés à de nouvelles opportunités passionnantes et à des demandes difficiles. La recherche de signatures de formes de vie sur une autre planète ou lune de notre système solaire est l'un des objectifs les plus importants de ces entreprises. Notre planète voisine Mars et la lune de Jupiter Europa sont considérées comme des cibles clés pour la recherche de la vie au-delà de la Terre. Par analogie, avec les communautés microbiennes extrêmophiles terrestres, par exemple celles qui prospèrent dans des environnements arides, froids, salés et/ou celles exposées à un rayonnement UV intense, des habitats extraterrestres potentiels supplémentaires peuvent être identifiés. En outre, les zones souterraines riches en soufre pour l'étude des communautés chimiotrophes, les roches pour les communautés endolithiques, les régions de pergélisol, les cheminées hydrothermales et les croûtes de sol ou d'évaporites sont toutes intéressantes. Des études sur le terrain avec des communautés microbiennes dans ces environnements extrêmes ainsi que des études microbiologiques dans des environnements planétaires simulés dans l'espace ainsi qu'en laboratoire fourniront des informations précieuses pour préparer les bonnes expériences de recherche pour la vie lors de missions dans ces corps du système solaire.

Un autre rôle important des microbiologistes dans l'exploration spatiale concerne l'initiative de protection planétaire. Les engins spatiaux, qu'il s'agisse d'orbiteurs robotiques, de sondes d'entrée ou d'atterrisseurs, peuvent involontairement introduire des micro-organismes terrestres sur la planète ou la lune préoccupante. Cela peut détruire la possibilité d'examiner ces corps dans leur parfait état. Pour éviter l'introduction indésirable et la prolifération éventuelle de micro-organismes terrestres sur le corps cible, le concept de protection planétaire a été introduit (COSPAR Planetary Protection Guidelines [http://cosparhq.cnes.fr/Scistr/PPPolicy�-July-08&# x0002529.pdf]). Selon la cible et le type de mission, les directives de protection planétaire exigent le nettoyage et, dans des cas spécifiques, la stérilisation de l'engin spatial ou de ses composants pour éviter la contamination par les organismes terrestres. Le succès des mesures de nettoyage et/ou de stérilisation doit être contrôlé en établissant un inventaire complet de la charge biologique avant le lancement. L'élaboration de directives pour les mesures de la charge biologique, les procédures de stérilisation et le contrôle de la protection planétaire représentent des tâches primordiales à venir pour les microbiologistes.

La présence d'humains à la surface de la Lune ou de Mars augmentera considérablement les capacités de recherche et d'exploration spatiales. Cependant, avant toute mission d'exploration humaine, les problèmes microbiens critiques concernant la santé et le bien-être humains doivent être résolus, des protocoles de protection doivent être établis. La fourniture de consommables métaboliques et l'élimination des sous-produits des déchets de l'environnement clos et autonome, qu'il s'agisse d'un habitat humain ou d'un bioréacteur de culture cellulaire, représentent les dernières nécessités pour le maintien de la vie. Les conditions de cabine fermée ou d'habitat présentent également des défis supplémentaires à long terme pour leur conception en ce qui concerne la santé de l'équipage, en raison de l'accumulation potentielle de contaminants dans l'atmosphère et les systèmes d'eau et de biofilms sur les surfaces des structures internes. Enfin, dans certains cas, les fonctions vitales elles-mêmes peuvent être remplies par l'utilisation de systèmes vivants agissant à travers une variété de voies écologiques. En ce sens, les systèmes vivants deviennent de plus en plus une partie intégrante de l'engin spatial ou de l'habitat lui-même. Par conséquent, l'analyse des expériences microbiologiques spatiales doit être effectuée d'un point de vue large, au niveau des systèmes, en tenant compte de l'interaction entre les phénomènes biologiques et les influences physiques. associé à l'environnement global à la fois à l'intérieur et à l'extérieur de l'habitat spatial.


Méthodes et applications d'immobilisation d'enzymes (notes de cours sur la biotechnologie)

L'immobilisation est définie comme l'emprisonnement d'une cellule ou d'une enzyme dans un support ou une matrice distincte. Le support ou la matrice sur laquelle les enzymes sont immobilisées permet l'échange de substrat contenant des molécules effectrices ou inhibitrices. La pratique de l'immobilisation des cellules est très ancienne et la première enzyme immobilisée a été amino acylase de Aspergillus oryzae pour la production d'acides aminés L au Japon.

Avantages des enzymes immobilisées :

(1). Efficacité fonctionnelle accrue de l'enzyme
(2). Reproductibilité accrue du processus qu'ils entreprennent
(3). Réutilisation de l'enzyme
(4). Utilisation continue de l'enzyme
(5). Moins de main-d'œuvre dans les processus
(6). Économie de coût d'investissement et d'investissement du procédé
(7). Temps de réaction minimum
(8). Moins de risque de contamination dans les produits
(9). Plus de stabilité des produits
(10). Approvisionnement stable de produits sur le marché
(11). Contrôle de processus amélioré
(12). Rapport de substrat enzymatique élevé

Inconvénients de l'immobilisation enzymatique :

(1). Même si les enzymes immobilisées présentent de nombreux avantages, il existe également certains inconvénients.
(2). Coût élevé pour l'isolement, la purification et la récupération de l'enzyme active (inconvénient le plus important)
(3). Les applications industrielles sont limitées et très peu d'industries utilisent des enzymes immobilisées ou des cellules entières immobilisées. (4). Les propriétés catalytiques de certaines enzymes sont réduites ou complètement perdues après leur immobilisation sur support ou support.
(5). Certaines enzymes deviennent instables après immobilisation.
(6). Les enzymes sont inactivées par la chaleur générée dans le système

Applications de l'immobilisation enzymatique :

(1). Production industrielle: La production industrielle d'antibiotiques, de boissons, d'acides aminés, etc. utilise des enzymes immobilisées ou des cellules entières.

(2). Applications biomédicales : Les enzymes immobilisées sont largement utilisées dans le diagnostic et le traitement de nombreuses maladies. Les enzymes immobilisées peuvent être utilisées pour surmonter les troubles métaboliques innés par l'apport d'enzymes immobilisées. Les techniques d'immobilisation sont utilisées efficacement dans les systèmes d'administration de médicaments, en particulier sur les sites oncogènes.
(3). Industrie alimentaire: Des enzymes telles que des pectinases et des cellulases immobilisées sur des supports appropriés sont utilisées avec succès dans la production de confitures, gelées et sirops à partir de fruits et légumes.
(4). Recherche: Une activité de recherche utilise de manière extensive de nombreuses enzymes. L'utilisation d'enzymes immobilisées permet aux chercheurs d'augmenter l'efficacité de différentes enzymes telles que la peroxydase de raifort (HRP) dans des expériences de transfert et différentes protéases pour la lyse cellulaire ou organelle.

(5). Production de biodiesel à partir d'huiles végétales.

(6). Gestion des eaux usées: traitement des eaux usées et des effluents industriels.

(7). Industrie textile: dégraissage, bio-polissage et désencollage des tissus.

(8). Industrie des détergents : immobilisation de l'enzyme lipase pour une élimination efficace de la saleté des chiffons.

Supports ou matrice utilisés dans la technologie d'immobilisation :

La matrice ou le support immobilise l'enzyme en la maintenant de façon permanente ou temporaire pendant une brève période de temps. Il existe une grande variété de matrices ou supports ou supports disponibles pour l'immobilisation. La matrice utilisée doit être bon marché et facilement disponible. Leur réaction avec les composants du milieu ou avec l'enzyme doit être aussi minimale que possible. Les matrices ou supports d'immobilisation d'enzymes ou de cellules entières sont regroupés en trois grandes catégories

(1). Polymères naturels

(2). Polymères synthétiques

(3). Matériaux inorganiques

(1). Polymères naturels :

(une). Alginate : Un polymère naturel dérivé de la paroi cellulaire de certaines algues. L'alginate de calcium ou de magnésium est la matrice la plus couramment utilisée. Ils sont inertes et ont une bonne capacité de rétention d'eau.

(b). Chitosan et chitine : Ce sont des polysaccharides structuraux présents naturellement dans la paroi cellulaire des champignons et l'exosquelette des arthropodes. Les différents groupes fonctionnels des enzymes peuvent se lier au groupe -OH de la chitine et former des liaisons covalentes.

(c). Collagène : C'est le support protéiné avec une bonne porosité et une bonne capacité de rétention d'eau. Les chaînes latérales des acides aminés du collagène et celle de l'enzyme peuvent former des liaisons covalentes pour maintenir en permanence l'enzyme sur le support.

(ré). Carraghénane : C'est un polysaccharide sulfaté obtenu à partir de certaines algues rouges. Leurs bonnes propriétés gélifiantes ainsi que sa capacité de rétention protéique élevée en font un bon support pour les enzymes d'immobilisation.

(e). Gélatine: La gélatine est le collagène partiellement hydrolysé avec une bonne capacité de rétention d'eau.

(F). Cellulose: Polymère le plus abondant de la nature et c'est le support le moins cher disponible comme support d'enzymes. Le groupe hydroxyle des unités monomères (glucose) peut former des liaisons covalentes avec celui des acides aminés de l'enzyme.

(g). Amidon: Un polymère naturel d'amylose et d'amylo-pectine. Il a une bonne capacité de rétention d'eau.

(h). Pectine: C'est un polysaccharide structurel des plantes que l'on trouve dans leur paroi cellulaire primaire et qui agit également comme matériau de cimentation intercellulaire dans les tissus végétaux. La pectine est un agent gélifiant avec une bonne capacité de rétention d'eau.

(2). Polymères synthétiques :

Ce sont des résines échangeuses d'ions ou des polymères et sont des supports insolubles à surface poreuse. Leur surface poreuse peut piéger et retenir les enzymes ou les cellules entières. Exemple : Diéthylaminoéthylcellulose (DEAE cellulose), Polychlorure de vinyle (PVC), Polyéthylène glycol activé aux UV (PEG)

(3). Matériaux inorganiques :

(une). Zéolites : Ce sont des minéraux aluminosilicatés microporeux avec de bonnes propriétés d'adsorption et largement utilisés pour immobiliser les enzymes et les cellules entières.

(b). Céramique: Ce sont des solides non métalliques constitués d'atomes métalliques et non métalliques maintenus dans des liaisons ioniques et covalentes. La composition et le motif de liaison varient selon les types.

(c). La terre de diatomées: Ce sont des roches sédimentaires siliceuses formées par des accumulations fossilisées de la paroi cellulaire des diatomées. La célite est le nom commercial de la terre de diatomées. C'est un bon adsorbant et résiste à un pH et à une température élevés.

(F). Charbon actif

(g). charbon

Méthodes d'immobilisation :

En fonction du support ou de la matrice et du type de liaisons impliquées, il existe cinq méthodes différentes d'immobilisation d'enzymes ou de cellules entières.

(1). Adsorption

(2). Liaison covalente

(3). Piégeage

(4). Copolymérisation

(5). Encapsulation

(1). Adsorption

L'adsorption est la méthode la plus ancienne et la plus simple d'immobilisation d'enzymes. Nelson & Griffin a utilisé du charbon de bois pour adsorber l'invertase pour la première fois en 1916. Dans cette méthode, l'enzyme est adsorbée sur la surface externe du support. Le support ou support utilisé peut être de différents types tels que :

(1). Soutien minéralt (par exemple oxyde d'aluminium, argile)

(2). Soutien organique (Par exemple, amidon)

(3). Sépharose modifiée et résines échangeuses d'ions

Il n'y a pas de formation de liaison permanente entre le support et l'enzyme dans la méthode d'adsorption. Seules des liaisons faibles stabilisent les enzymes sur le support ou le support. Les liaisons faibles (liaisons de faible énergie) impliquées sont principalement :

(une). Interaction ionique

(b). Liaisons hydrogène

(c). Forces de Van der Waal

Pour une liaison de surface significative, la taille des particules de support doit être petite (500 Å à 1 mm de diamètre). Le plus grand avantage de la méthode d'adsorption est qu'il n'y aura pas de « limitations de diffusion des pores » puisque les enzymes sont immobilisées à l'extérieur sur le support ou le support.

Méthodes d'adsorption :

(1). Processus statique : Immobilisation sur le support en laissant la solution contenant l'enzyme entrer en contact avec le support sans agitation.
(2). Traitement dynamique par lots : Le support est placé dans la solution enzymatique et mélangé par agitation ou agitation.
(3). Processus de chargement du réacteur : Le support est placé dans le réacteur, puis la solution enzymatique est transférée dans le réacteur sous agitation continue.
(4). Processus de positionnement des électrodes : Le porteur est placé à proximité d'une électrode dans un bain enzymatique puis le courant est mis en place, sous le champ électrique l'enzyme migre vers le porteur et se dépose à sa surface.

Avantages de la méthode d'adsorption :

(une). Aucune limitation de diffusion des pores

(c). Aucun réactif n'est requis

(ré). Étapes d'activation minimales impliquées

(e). Méthode d'immobilisation relativement bon marché

(F). Moins perturbateur pour les enzymes que les méthodes chimiques

Inconvénients de la méthode d'adsorption :

(une). Désorption des enzymes du support

(2). Liaison covalente :

Cette méthode implique la formation de liaisons covalentes entre les groupes chimiques de l'enzyme et les groupes chimiques sur le support ou le support. C'est l'une des méthodes d'immobilisation enzymatique les plus utilisées. Les groupes hydroxyle et les groupes amino du support ou de l'enzyme forment plus facilement des liaisons covalentes. Les groupes chimiques dans le support ou le support qui peuvent former des liaisons covalentes avec le support sont les groupes amino, les groupes imino, les groupes hydroxyle, les groupes carboxyle, les groupes thiol, les groupes méthylthiol, les groupes guanidyle, les groupes imidazole et le cycle phénol.

Les groupes fonctionnels importants de l'enzyme qui fournissent des groupes chimiques pour former des liaisons covalentes avec le support ou le support sont :

1. Groupe alpha carboxyle à l'extrémité « C » de l'enzyme

2. Groupe alpha-aminé à l'extrémité « N » de l'enzyme

3. Groupes aminés Epsilon de la lysine et de l'arginine dans l'enzyme

4. Groupes carboxyle et de l'aspartate et du glutamate

5. Anneau phénolique de la tyrosine

6. Groupe thiol de la cystéine

7. Groupes hydroxyles de la sérine et de la thréonine

8. Groupe Imidazole de l'Histidine

9. Anneau indole de Tryptophane

Les porteurs ou supports couramment utilisés pour la liaison covalente sont :

(une). Les glucides: Par exemple. Cellulose, DEAE cellulose, Agarose

(b). Agents synthétiques : Par exemple. Polyacrylamide

(c). Porteurs de protéines : Collagène, Gélatine

(ré). Supports de roulement du groupe Amino : Par exemple. aminobenzylcellulose

(e). Supports inorganiques : Verre poreux, silice

(F). Bromure de cyanogène (CNBr)-agarose et CNBr Sepharose

Méthodes de liaison covalente

(1). Diazoation : Liaison entre le groupe amino du support et le groupe tyrosil ou histidyle de l'enzyme.
(2). Liaison peptidique: Liaison entre les groupes amino ou carboxyle du support et celui de l'enzyme.
(3). Réactifs poly fonctionnels : Utilisation d'un réactif bi-fonctionnel ou multifonctionnel (glutaraldéhyde) qui forme des liaisons covalentes entre le groupe amino du support et le groupe amino de l'enzyme.

Avantages de la liaison covalente :

(une). Forte liaison de l'enzyme au support

(b). Pas de problème de fuite ou de désorption

(c). Méthode relativement simple

(ré). Une variété de supports avec différents groupes fonctionnels disponibles

(e). Large applicabilité

Inconvénients de la liaison covalente (problème majeur avec la liaison covalente) :

(une). Modification chimique de l'enzyme entraînant la perte de la conformation fonctionnelle de l'enzyme.

(b). Inactivation enzymatique par des changements de conformation lorsqu'elle subit des réactions sur le site actif. Ceci peut être surmonté par l'immobilisation en présence du substrat de l'enzyme ou d'un inhibiteur compétitif.

(3). Piégeage :

Dans cette méthode, les enzymes sont physiquement piégées à l'intérieur d'une matrice poreuse. Les liaisons impliquées dans la stabilisation de l'enzyme à la matrice peuvent être covalentes ou non covalentes. La matrice utilisée sera un polymère hydrosoluble. La forme et la nature de la matrice varient selon les différentes enzymes. La taille des pores de la matrice est ajustée pour empêcher la perte d'enzyme. La taille des pores de la matrice peut être ajustée avec la concentration du polymère utilisé. L'agar-agar et le carraghénane ont des pores de taille relativement importante. Le plus grand inconvénient de ce procédé est qu'il existe une possibilité de fuite d'enzymes de faible poids moléculaire de la matrice.

Voici des exemples de matrices couramment utilisées pour le piégeage :

(1). Gels de polyacrylamide

(2). Triacétate de cellulose

(5). Carraghénane

(6). Alginate

Méthodes de piégeage :

(une). Inclusion dans les gels : enzymes piégées à l'intérieur des gels.

(b). Inclusion dans les fibres : enzymes supportées sur des fibres en matériau matriciel.

(c). Inclusion dans des microcapsules : Enzymes piégées dans des microcapsules formées par des mélanges de monomères tels que la polyamine et l'alginate de calcium.

Avantages du piégeage :

(une). Méthode rapide d'immobilisation

(b). Bon marché (matrices à faible coût disponibles)

(c). Facile à pratiquer à petite échelle

(ré). Des conditions douces sont requises

(e). Moins de chance de changements de conformation de l'enzyme

(F). Peut être utilisé pour une application de détection

Inconvénients du piégeage :

(une). Fuite d'enzyme

(b). Limitation de la diffusion des pores

(c). Risque de contamination microbienne

(ré). Pas beaucoup de succès dans le processus industriel

(4). Reticulation (copolymérisation) :

Cette méthode est également appelée copolymérisation. Dans ce procédé d'immobilisation, les enzymes sont directement liées par des liaisons covalentes entre divers groupes d'enzymes via des réactifs polyfonctionnels. Contrairement à d'autres méthodes, il n'y a pas de matrice ou de support impliqué dans cette méthode. Les réactifs polyfonctionnels couramment utilisés sont le glutaraldéhyde et le sel de diazonium. Cette technique est bon marché et simple mais n'est pas souvent utilisée avec des enzymes pures. Cette méthode est largement utilisée dans les préparations commerciales et les applications industrielles. Le plus grand inconvénient ou inconvénient de cette méthode est que les réactifs polyfonctionnels utilisés pour la réticulation de l'enzyme peuvent dénaturer ou modifier structurellement l'enzyme conduisant à la perte des propriétés catalytiques.

(5). Encapsulation :

Ce type d'immobilisation se fait en enfermant les enzymes dans une capsule membranaire. La capsule sera constituée d'une membrane semi-perméable comme la nitrocellulose ou le nylon. Dans cette méthode, l'efficacité dépend de la stabilité des enzymes à l'intérieur de la capsule.

Avantages de l'encapsulation :

(une). Méthode simple et pas chère

(b). Une grande quantité d'enzymes peut être immobilisée par encapsulation

Inconvénients de l'encapsulation :

(une). Limitation de la taille des pores

(c). Seule une petite molécule de substrat est capable de traverser la membrane

Immobilisation de cellules entières :

L'immobilisation de cellules entières est une alternative à l'immobilisation d'enzymes et c'est une méthode bien développée pour l'utilisation d'enzymes provenant de microbes. L'immobilisation de cellules entières devient particulièrement efficace lorsque les enzymes individuelles deviennent inactives pendant l'immobilisation directe, ou que l'isolement et la purification de l'enzyme ne sont pas rentables. Le plus grand avantage de l'immobilisation de cellules entières est qu'ici les enzymes seront actives et stables pendant une longue période de temps puisqu'elles se trouvent dans leur environnement naturel. L'utilisation de cellules immobilisées pour la fermentation est une pratique très ancienne. Les bactéries ou les cellules de levure sont immobilisées en les adsorbant sur des copeaux de bois. Ceci est pratiqué dans de nombreuses parties pour différents types de fermentations.

Avantages de l'immobilisation de cellules entières :

(une). Plusieurs enzymes peuvent être introduites dans une seule étape

(b). L'extraction et la purification des enzymes ne sont pas nécessaires

(c). Les enzymes sont stables pendant longtemps

(ré). La conformation native de l'enzyme est mieux maintenue

(e). Les organites cellulaires comme les mitochondries et les chloroplastes peuvent être immobilisés

(F). Méthode rentable

Inconvénients de l'immobilisation de cellules entières :

(une). La concentration d'enzymes sera moindre

(b). Production d'enzymes indésirables et de produits indésirables

(c). Modification des produits finaux par d'autres enzymes produites par des cellules immobilisées

Méthodes d'immobilisation de cellules entières :

Les méthodes d'immobilisation de cellules entières sont les mêmes que celles décrites pour l'immobilisation enzymatique et comprennent :

1. Adsorption

2. Liaison covalente

3. La réticulation de cellule à cellule

4. Encapsulation

5. Piégeage

Immobilisation des cellules : Méthodes, Supports, Cellules et Réaction :

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Les étudiants intéressés à enseigner les sciences biologiques et à mener des recherches dans une université devraient prévoir de terminer le doctorat. degré. Les étudiants intéressés à enseigner dans un collège communautaire devraient poursuivre des études supérieures au moins jusqu'à la maîtrise. L'enseignement au niveau du premier cycle du secondaire ou du lycée (secondaire) nécessite le diplôme d'enseignement californien pour une seule matière. Les étudiants qui envisagent cette dernière option doivent discuter de leurs projets avec le conseiller en accréditation de la Graduate School of Education de l'UCSB au début de leur carrière universitaire.


RLES DES PROTÉINES DE CORONAVIRUS DANS LA PATHOGENÈSE

Protéine de pointe

Structure de la pointe.

La protéine de pointe du coronavirus est une glycoprotéine de type I qui forme les péplomères sur les particules de coronavirus. (Figure ​ (Figure4 4 montre des diagrammes linéaires de plusieurs protéines de pointe de coronavirus.) Certaines pointes de coronavirus (la plupart des virus des groupes II et III) sont clivées en deux sous-unités par une activité enzymatique de type furine pendant le traitement dans l'appareil de Golgi. Le prototype Le pic de MHV est de 180 kDa pour la plupart des souches de MHV, il est clivé en deux sous-unités associées de manière non covalente d'environ 90 kDa (294). La sous-unité S1 amino-terminale, qui est censée former la tête globulaire de la protéine mature, contient un récepteur de liaison domaine (RBD) dans les 330 premiers acides aminés (163). Les RBD de HCoV-229E (résidus 417 et 547) et SARS-CoV (résidus 318 à 510) se trouvent également dans S1, mais pas aux extrémités amino ( Fig. ​ (Fig.4) 4 ) (17, 339). S1 de MHV contient, en aval du RBD, un 𠇍omaine hypervariable” (HVR) qui varie en longueur entre les souches. Comparaison des séquences de divers des isolats des souches JHM ainsi qu'un isolat de la souche A59 montre “in-frame� Délétions 201d allant jusqu'à 450 nucléotides (par rapport à l'isolat MHV-4 de JHM) dans le HVR (236). La sous-unité S2 carboxy-terminale, qui est conservée parmi tous les pics de coronavirus et est censée former une structure en forme de tige ancrée dans la membrane, contient deux (ou peut-être trois [105]) domaines heptades répétés (HR) ainsi que le domaine putatif peptide de fusion (172, 198, 236, 299). Un domaine riche en cystéine qui relie la jonction putative de l'ancre et la queue cytoplasmique est nécessaire pour la fusion, tout comme le domaine transmembranaire (39).

Schéma des protéines de pointe du coronavirus. Sont montrées des protéines de pointe représentatives de celles de tous les coronavirus des groupes I à III et du SRAS-CoV. La protéine de pointe du coronavirus est synthétisée en tant que précurseur, glycosylée de manière cotraductionnelle et, dans certains cas, clivée approximativement au milieu en sous-unités S1 et S2 sur un site contenant des acides aminés dibasiques (BBXBB). S1 forme le domaine externe contenant le domaine de liaison au récepteur (RBD) à son extrémité 5'x02032, suivi, dans le cas du MHV, d'un domaine hypervariable (HVR). Une courte séquence signal est clivée à partir de l'extrémité 5 & 02032 de la protéine mature. S2 est la sous-unité transmembranaire contenant deux répétitions heptadiques (HR1 et HR2) et le domaine transmembranaire (TM).

Interaction, fusion et entrée des récepteurs.

Les coronavirus se fixent à des récepteurs cellulaires spécifiques via la protéine de pointe (tableau ​ (tableau 1). 1). Le premier récepteur de coronavirus identifié était le CEACAM 1, utilisé par MHV (141). L'attachement viral déclenche un changement de conformation de la protéine de pointe qui favorise la fusion des membranes virales et cellulaires (212, 369). Bien qu'il n'y ait pas de structures cristallines disponibles pour un pic de coronavirus, on pense qu'il peut subir des changements similaires à ceux d'autres protéines de fusion de type I, telles que l'hémagglutinine du virus de la grippe et le virus de l'immunodéficience humaine gp120, afin de médier la fusion des virus et des cellules membranes.

La protéine de pointe du coronavirus joue un rôle essentiel dans l'entrée virale, la propagation de cellule à cellule et la détermination du tropisme tissulaire. L'entrée du coronavirus n'est, en général, pas dépendante du pH, et on pense donc qu'elle se produit directement au niveau de la membrane plasmique et non par une voie endosomale (Fig. ​ (Fig.3). 3). Cependant, il existe des données suggérant qu'une voie endosomale peut être utilisée par certains virus (156, 219). L'entrée du SRAS-CoV est inhibée par des agents lysosomotropes, suggérant une voie d'entrée endosomale (285, 349). De plus, cette inhibition peut être surmontée par un traitement à la protéase du virus qui s'est attaché à la cellule. Ceci, ainsi que l'observation que l'infection est bloquée par des inhibiteurs de la cathepsine L de protéase endosomale sensible au pH, suggère qu'il existe une exigence de clivage du pic de SRAS-CoV lors de l'entrée à travers les endosomes (213, 284). De plus, l'entrée au niveau de la membrane plasmique après un traitement à la protéase est plus efficace que l'entrée par la voie endosomale (213). Ces auteurs ont suggéré que le pic du SRAS-CoV pourrait être clivé par les protéases produites par les cellules inflammatoires présentes dans les poumons des patients atteints du SRAS et ainsi pénétrer dans les cellules par la voie plus efficace de la membrane plasmique (213). La souche MHV-2 hautement hépatotrope peut pénétrer dans la cellule par une voie endosomale similaire à celle utilisée par le SRAS-CoV. Le MHV-2, comme le SRAS-CoV, code pour une protéine de pointe non clivée et est sensible aux agents lysosomotropes. Cependant, le traitement à la trypsine du pic MHV-2 associé aux cellules surmonte l'inhibition par les agents lysosomotropes (Z. Qiu et S. R. Weiss, données non publiées). Cela suggère que l'entrée à la surface cellulaire peut nécessiter un clivage de pointe dans la membrane virale, tandis que l'entrée endosomique peut permettre un clivage pendant l'entrée. Enfin, les coronavirus avec des pointes clivées peuvent également pénétrer dans la cellule par la voie endosomale. Par exemple, alors que le MHV-JHM de type sauvage pénètre dans les cellules en culture par une voie indépendante du pH, le mutant OBLV60 de JHM est inhibé par des agents lysosomotropes et on pense qu'il pénètre par une voie lysosomale (221). Il est intéressant de noter que OBLV60 est fortement atténué et présente une propagation restreinte pendant l'infection du système nerveux central murin (239, 316).

En général, la gamme d'hôtes des coronavirus est extrêmement étroite. La capacité d'un coronavirus à se répliquer dans un type cellulaire particulier dépend uniquement de sa capacité à interagir avec ses récepteurs (139). Par exemple, le coronavirus murin se réplique dans les cellules murines et non dans les cellules humaines et de hamster. Cependant, une fois que les cellules non permissives sont transfectées avec l'ADNc codant pour le récepteur MHV, elles deviennent sensibles à l'infection par le MHV (85). Plusieurs récepteurs du coronavirus ont été identifiés. Les coronavirus du groupe I HCoV-229E humain, FIPV félin et TGEV porcin utilisent tous l'aminopeptidase N (APN), une protéase liant le zinc, de leurs espèces hôtes respectives comme récepteurs (352) (tableau ​ (tableau 1). 1 ). Il existe une certaine capacité à reconnaître le récepteur APN correspondant d'une autre espèce, par exemple, HCoV-229E peut utiliser l'APN humain ou l'APN félin comme récepteur mais ne peut pas utiliser l'APN porcin (334, 335). Le récepteur utilisé par le groupe des coronavirus murins est la molécule d'adhésion antigène-cellule carcinoembryonnaire (CEACAM) (CD66a) (43, 44, 84, 226). Les CEACAM sont des glycoprotéines possédant deux ou quatre domaines extracellulaires de type immunoglobuline suivis d'un domaine transmembranaire et d'une queue cytoplasmique (226).Ils sont impliqués dans l'adhésion intercellulaire et le développement des tumeurs hépatocellulaires, colorectales et épithéliales (13) et sont exprimés principalement sur les cellules épithéliales et endothéliales des voies respiratoires et des intestins, ainsi que sur d'autres tissus (111, 265). L'observation que les souris transgéniques avec un knock-out du gène CEACAM1 sont résistantes à l'infection démontre qu'il s'agit probablement du seul récepteur du MHV (131). Fait intéressant, CEACAM1 est exprimé à un faible niveau dans le cerveau, un site majeur d'infection de certaines souches de MHV, ce qui suggère que de faibles niveaux de récepteurs peuvent être suffisants pour médier l'entrée du MHV. L'expression du récepteur a été démontrée sur un seul type de cellule du système nerveux central, la microglie, le récepteur est régulé à la baisse sur la microglie pendant l'infection (257). La propagation du MHV pour la souche JHM hautement neurovirulente peut être améliorée par une propagation indépendante du récepteur (103, 104) et/ou par l'expression des protéines hémagglutinine-estérase (voir ci-dessous).

D'autres coronavirus du groupe II, tels que le BCoV, l'OC43 et le virus de l'encéphalomyélite hémagglutinante porcine, se lient aux récepteurs contenant de l'acide sialique 9-O-acétylé (159, 253). Cependant, il n'est pas clair quelles sont les molécules réceptrices spécifiques, et on sait peu de choses sur le processus d'entrée.

Peu de temps après l'identification du SRAS-CoV, le récepteur de ce virus a été identifié comme étant l'enzyme de conversion de l'angiotensine 2 (ACE2). L'ACE2, comme l'APN, le récepteur du coronavirus du groupe I, est une métalloprotéase à zinc (187). Le CD209L humain, une lection de type C (également appelée L-SIGN, DC-SIGNR et DC-SIGN2), lorsqu'il est exprimé par des cellules d'ovaire de hamster chinois transfectées, rend les cellules très sensibles à l'infection par le SRAS-CoV, cependant, il est nettement moins efficace que ACE2 dans la médiation de l'entrée (145). La protéine SARS-CoV S est capable d'interagir avec la lectine DC-SIGN tandis que la liaison DC-SIGN améliore l'infection des cellules porteuses d'ACE2, elle ne peut pas à elle seule médier l'entrée en l'absence d'ACE2. Ainsi, l'interaction du SRAS-CoV avec cette lectine sur les cellules dendritiques (CD), qui ne sont pas permissives pour l'infection, peut augmenter la transmission du SRAS à ses cellules cibles (135). Étonnamment, il a été récemment montré que le nouveau coronavirus humain du groupe I NL63 utilise également l'ACE2 comme récepteur (136).

Les pointes de certains coronavirus médient la fusion de cellule à cellule des cellules infectées ainsi que la fusion virus/cellule lors de l'entrée, vraisemblablement par un mécanisme similaire (369) (212). Cependant, l'entrée virale et la fusion de cellule à cellule présentent certaines différences dans les exigences. Par exemple, certains pics MHV-JHM peuvent médier la fusion de cellule à cellule en l'absence de CEACAM, tandis que l'entrée nécessite le récepteur CEACAM. De plus, les protéines de pointe qui ont des mutations qui éliminent le clivage dans les sous-unités S1 et S2 effectuent la fusion de cellule à cellule de manière très inefficace, cependant, elles médient l'entrée dans les cellules sensibles avec une efficacité similaire à celle du virus de type sauvage (75, 114, 181). De même, la souche MHV-2 code pour une protéine de pointe non clivée et n'effectue pas de fusion de cellule à cellule, ce virus infecte efficacement les cellules in vitro et provoque une hépatite sévère in vivo (70, 132, 150). Le pic de MHV-A59, qui est généralement clivé pendant la réplication en culture cellulaire, n'est pas clivé lorsqu'il est récupéré dans le cerveau ou le foie de souris infectées, ce qui suggère que le clivage n'est pas une condition préalable à l'infection pour les souches qui expriment le pic clivé (133) et que l'entrée du MHV dans certains types de cellules in vivo peut nécessiter une voie d'infection endosomale.

On pense que les domaines répétés d'heptade et le peptide de fusion putatif jouent un rôle important dans le processus de fusion (103). Ceci a été exploré le plus pour le pic MHV. La substitution d'acides aminés chargés par des acides aminés hydrophobes dans HR1 (et dans un peptide de fusion candidat) élimine la capacité d'induire une fusion de cellule à cellule (198). Des mutations dans le domaine de la fermeture éclair à leucine dans HR2 inhibent la capacité du pic à oligomériser et à inhiber la fusion de cellule à cellule (197). Les substitutions d'acides aminés à L1114 dans le domaine HR1 du pic JHM (L1114R ou L1114F) sont particulièrement intrigantes dans la mesure où elles ont été rapportées dans de multiples études, en association avec plusieurs phénotypes mutants. Une substitution L1114R est l'une des trois mutations censées contribuer à la faible dépendance au pH pour l'entrée virale de la variante OBLV60 de JHM ainsi qu'à sa neuroatténuation et à sa restriction aux bulbes olfactifs lors de l'infection de souris (105). De plus, L1114R seul était suffisant pour provoquer une restriction du MHV recombinant aux bulbes olfactifs pendant l'infection des souris (316). Des substitutions à L1114 ont été identifiées dans le pic d'un mutant atténué résistant aux anticorps monoclonaux (327) et d'un mutant résistant aux récepteurs solubles (269, 270). Fait intéressant, les substitutions L1114R et L1114F ont été identifiées comme des mutations secondaires dans plusieurs virus recombinants exprimant les protéines de pointe chimériques A59/JHM (248, 316). Le mutant résistant aux récepteurs solubles de JHM, srr7, (exprimant un pic contenant L1114F) a démontré une stabilité accrue de l'interaction S1/S2, la perte de la capacité d'induire une fusion indépendante de CEACAM (301) et des interactions altérées avec le récepteur CEACAM1 b (un allèle de CEACAM 1 a exprimé par des souris SJ/L résistantes) ainsi que la résistance à la neutralisation par le récepteur CEACAM1 a soluble (211, 212). De même, la mutation L1114R entraîne une perte de la fusion indépendante du récepteur ainsi qu'une neuroatténuation. À l'appui de l'idée que le RBD interagit avec S2, une mutation dans le RBD pourrait supprimer fonctionnellement les effets d'une mutation L1114R dans HR1 de srr7 qui a affecté la capacité d'utiliser CEACAM1 b (211). Ainsi, de petits changements dans les domaines HR (par exemple, une seule substitution d'acide aminé à L1114) peuvent entraîner des altérations majeures de l'interaction pointe/récepteur et donc de l'entrée du virus et enfin de la pathogenèse in vivo.

Des études récentes sur les domaines HR fournissent des preuves supplémentaires confirmant que le pic de coronavirus est bien une protéine de fusion de classe I (23). Les peptides représentant HR1 et HR2 de MHV, lorsqu'ils sont mélangés ensemble, s'assemblent en un complexe oligomère extrêmement stable avec les deux peptides dans des conformations alpha-hélicoïdales et antiparallèles l'un par rapport à l'autre. Dans la protéine native, une telle conformation serait prédite pour rapprocher le domaine N-terminal de HR1 et l'ancre transmembranaire pour faciliter le processus de fusion. De plus, le peptide HR2 s'est avéré être un puissant inhibiteur de l'entrée du virus, ainsi que de la fusion de cellule à cellule. Des résultats similaires ont été obtenus pour les domaines RH du SRAS. Les peptides SARS-CoV HR1 et HR2, lorsqu'ils sont mélangés, s'assemblent en un faisceau similaire à six hélices, cependant, ce complexe était moins stable que celui du complexe MHV correspondant. Le manque de stabilité peut expliquer pourquoi les peptides HR2 sont moins inhibiteurs pour le SRAS que pour le MHV (22).

Rôle dans la pathogenèse.

L'utilisation de coronavirus recombinants, notamment MHV (223, 246), TGEV (274) et IBV (35, 134), a définitivement démontré que le pic est un déterminant majeur du tropisme et de la pathogénicité. Dans le cas du TGEV, le remplacement du gène de pointe d'une souche respiratoire atténuée de TGEV par le gène de pointe d'une souche entérique virulente rend le virus entérotrope (274). La figure ​ La figure 5 5 résume la cartographie du tropisme et de la virulence avec les MHV recombinants chimériques A59/JHM. La souche JHM est hautement neurotrope, provoquant une encéphalite sévère, généralement mortelle et peu ou pas d'hépatite, tandis que la souche A59 provoque une hépatite modérée et n'est que faiblement neurovirulente. Le remplacement du gène de pointe dans le génome de la souche A59 par le gène de pointe de l'isolat le plus hautement neurotrope de la souche JHM rend le virus résultant hautement neurovirulent (223, 246). La neurovirulence élevée conférée par le pic JHM est associée à une propagation rapide dans le SNC, qui peut se produire, en partie, indépendamment du récepteur CEACAM et du grand nombre de neurones infectés (247). Cependant, le virus chimérique résultant (pic JHM dans le fond A59) n'est pas aussi virulent que le JHM parental, au moins en partie parce qu'il induit une réponse des lymphocytes T CD8 + beaucoup plus forte. JHM ne parvient pas à induire une réponse suffisamment forte des lymphocytes T CD8 + pour médier la clairance (201, 260 Iacono et al., données non publiées). Les mécanismes qui sous-tendent les différences de réponse immunitaire dans le cerveau aux souches étroitement apparentées A59 et JHM sont intrigants et pas du tout compris.


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