Tödliche Bakterien aus dem All

Es ist weithin bekannt, dass ein Flug ins All im menschlichen Körper deutliche Spuren hinterlässt – Knochen und Muskeln von Astronauten werden geschwächt und auch ihre Immunreaktion verläuft schleppender als auf der Erde. Eine neue Studie zeigt nun, dass die Auswirkungen eines Ausflugs in den Weltraum auch bei Mikroorganismen dramatisch sein können: Salmonellen, die an Bord des Space Shuttle heranwuchsen, können wesentlich gefährlicher sein als ihre Geschwister auf der Erde. Die Untersuchung der Bakterien-Art zeigt, dass die NASA und andere Weltraumagenturen bei lang andauernden bemannten Missionen ins All möglicherweise bessere Vorsichtsmaßnahmen benötigen, weil sich die Virulenz der durch die Astronauten zwangsläufig ins All mitgebrachten Mikroorganismen deutlich erhöhen kann. Aber es gibt auch gute Neuigkeiten: Die Weltraumstudie legt auch neue Therapieformen für Salmonellen-Infektionen auf der Erde nahe.

Cheryl Nickerson, außerordentliche Professorin am Biodesign-Institut der Arizona State University, untersuchte das Salmonellen-Wachstum an Bord der Space Shuttle-Mission STS-115 im Jahr 2006. Dabei ergab sich, dass deutliche Veränderungen in der Expression von 167 Genen des Bakteriums feststellbar waren. Infizierte man Mäuse auf der Erde schließlich mit den Weltraum-Salmonellen, zeigte sich, dass diese Bakterien viele Male tödlicher waren als ein Kontrollstamm, der auf der Erde gezüchtet wurde.

Das Experiment war die erste Studie, die Veränderungen bei der Genexpression von Mikroorganismen im Weltraum untersuchte. Die Forscher an der Arizona State wiesen dabei außerdem nach, dass ein bestimmtes Salmonellen-Gen die meisten molekularen Veränderungen regulierte. Dieser "globale Regulator", der dem Bakterium im Fall von externem Stress offenbar zu einer erhöhten Ansteckungskraft verhilft, könnte künftig auch ein interessanter Angriffspunkt für neue Therapie-Formen gegen die Krankheit sein.

Die Auswirkungen, die das Studienergebnis auf die bemannte Weltraumfahrt haben wird, lassen sich noch nicht abschließend voraussagen. "Es ist nicht unbedingt etwas, über dass sich die NASA sofort Sorgen machen müsste", meint David Robertson, Direktor des "Center for Space Physiology and Medicine" an der Vanderbilt University. Zumindest auf kürzere Sicht bliebe das so. Es sei zudem unmöglich, Raumfahrzeuge vollkommen zu sterilisieren – und zwar auch deshalb, weil der Mensch selbst zahlreiche Bakterien mit sich herumträgt, ihre Zellzahl gilt als deutlich höher als unsere eigene. "Je länger eine Reise dauert, umso größer ist die Gefahr", meint Robertson denn auch. Eine bemannte Mission zum Mars würde beispielsweise rund drei Jahre dauern.

Die an Bord gebrachten Salmonellen-Bakterien wurden vor dem Versuch zunächst inaktiv auf das Space Shuttle Atlantis gebracht – eingebettet in verschiedene Testkammern. Einer der Astronauten aktivierte die Bakterienkulturen dann in einer der Kammern, in dem er sie mit Hilfe eines Kolbens mit einem Wachstumsmedium mischte. Nach 24 Stunden wurde dieser Kolben in eine weitere Bakterienkammer gedrückt. Die Hälfte der Salmonellen wurde dann später mit einem zweiten Wachstumsmedium vermischt, um sie bis zur Rückkehr auf die Erde am Leben zu erhalten. Die andere Hälfte wurde chemisch fixiert, um ihr weiteres Wachstum zu stoppen. Die Genexpression beider Proben wurde dann nach der Rückkehr untersucht.

Das Experiment wurden gleichzeitig mit einem Kontrollstamm auf der Erde durchgeführt – in einer möglichst ähnlichen Umgebung, was Temperatur, Luftfeuchtigkeit und andere Umweltbedingungen anbetraf. (Allerdings ließ sich die fehlende Schwerkraft nicht simulieren.) Im Vergleich mit der Kontrollgruppe gab es bei den Weltraum-Salmonellen große Veränderungen bei der Aktivität von 167 Genen und der Produktion von 73 Proteinen. Bereits niedrigere Konzentrationen dieser Mutation konnten tödliche Infektionen bei Mäusen auslösen; außerdem starben mehr Tiere schneller, als mit dem Kontrollbakterium.

Nickerson glaubt, dass die Veränderungen vor allem durch den mechanischen Stress ausgelöst wurden, dem die Bakterienzellen durch die Mikrogravitation ausgesetzt waren. Im Reagenzglas, aber auch im menschlichen Körper, stehen die Bakterien dann unter Spannung, sind in ihrer Schwimmfähigkeit eingeschränkt. Flüssigkeiten fließen deshalb anders über die Zelloberfläche, was zu Veränderungen ihres Verhaltens führt.

Man kann vom Verhalten der Bakterien im Reagenzglas im Weltraum auch etwas über ihr Vorgehen im menschlichen Körper auf der Erde lernen – so wenig eingängig das auf den ersten Blick erscheint, meint Jeanne Becker, stellvertretende Direktorin des "National Space Biomedical Research Institute" in Houston: "Aus der Perspektive der Bakterien gesehen wollen sie in dieser Stressumgebung überleben – egal ob nun in Mikrogravitation, beim Angriff des menschlichen Immunsystems auf sie oder dann, wenn Antibiotika präsent sind." Die Art, wie die Bakterien unter solchen Bedingungen reagieren, etwa mit der Bildung bestimmter Proteine, könne der Forschung neue Wege für Therapieformen aufzeigen.

Ein Ausflug ins All kann auch die genetische Aktivität in den menschlichen Zellen verändern. "Unsere Spezies entwickelte sich ja in einer Umwelt mit konstanter Schwerkraft. Wird diese entfernt, ergeben sich fundamentale Veränderungen", meint Becker. Eine Studie an menschlichen Leberzellen, die in einer Kultur gezüchtet wurden, zeige, dass die Weltraumbedingungen die Genexpression von mehr als 1600 Genen verändern könnten. Und es wird weiter geforscht: Dank der Internationalen Raumstation ISS gibt es diverse laufende Studien zu den molekularen Auswirkungen von Reisen ins All.

Die Gruppe der Salmonellen-Forscherin Nickerson wird so demnächst ein Paper veröffentlichen, in dem die Veränderungen eines Hefestammes und des Bakteriums Pseudomonas aeruginosa (Grünspan) im All beschrieben werden – letzteres hat die bislang einzige schwere Infektion eines Astronauten ausgelöst. Damals, 1970, mussten die Astronauten der pannenreichen Apollo 13-Mission nach einer Explosion an Bord in das Mondmodul ausweichen, um einen erfolgreichen Wiedereintrittsversuch starten zu können. Dort gab es nur wenig Sauerstoff, Energie und Wasser. Unter diesen Extrembedingungen entwickelte der Astronaut Fred Haise eine aggressive Prostata-Infektion durch Pseudomonas aeruginosa und blieb auch nach der Rückkehr auf die Erde mehrere Wochen lang stark erkrankt.

Die meisten Infektionen von Astronauten im Weltraum verliefen dagegen bislang eher milde – und keine wurde von Salmonellen ausgelöst. Nickerson entschied sich, diese Bakterienart zu untersuchen, weil frühere Experimente unter einer simulierten Mikrogravitation und anderen Weltraumbedingungen gezeigt hatten, dass die Ansteckungskraft der Zellen wächst. "Obwohl man das Bakterium noch nie in einem Raumschiff isolieren konnte, sind Salmonellenverdachtsmomente der Hauptgrund, wenn für die ISS bestimmte Nahrungsmittel aussortiert werden."

"Die Tatsache, dass es mindestens eine böse Erregerart gibt, die im Weltraum nachweisbar ansteckender wird, zeigt uns ein Risiko auf, das wir bislang noch unterschätzt haben", meint Kim Prisk, Medizinprofessor am "NASA Lab" der University of California in San Diego. "Da wird man schon nachdenklich, wie aggressiv die Behandlung einer infizierten Person im All dann erfolgen müsste."

Noch wichtiger sei aber die Entdeckung des "globalen Regulators" in Sachen Ansteckungskraft bei Salmonellen, über den sich nun neue Behandlungsformen abklären ließen. "Das ist ein gutes Beispiel dafür, wie Weltraum-orientierte Forschung zu potenziell wichtigen und nützlichen Ergebnissen hier auf der Erde führen kann", sagt Prisk. (bsc)