Polizones espaciales

Aislamiento de microorganismos dañados en la estación Mir

IBMP RAS 

¿Cuál es el microbioma de la Estación Espacial Internacional?
Las personas no solo lanzaron a su propia especie al espacio, también enviaron perros, ratas, ratones y muchos otros organismos vivos entre los que se incluyen los microbios. Por eso es pertinente preguntar ¿Cuál es la situación microbiológica a bordo de la Estación Espacial Internacional (ISS por sus siglas en inglés) y otras naves espaciales habitadas? ¿Cómo difieren las condiciones espaciales para las bacterias de las terrestres? ¿Y qué tan peligrosa es la propagación de los microbios espaciales?

El ataque del moho espacial
En 1997, se produjo una emergencia a bordo de la estación espacial Mir: la unidad de control del dispositivo de comunicación con la Tierra falló. Como los instrumentos espaciales suelen ser secretos, la comunicación se gestionó a través de un sistema de reserva. Sin embargo, las causas de la falla permanecieron desconocidas hasta que el dispositivo defectuoso fue regresado a la Tierra.

Según Svetlana Poddubko, del Instituto de Problemas Biomédicos (IMBP) de la Academia de Ciencias de Rusia, después de abrir la tapa del dispositivo, éste no funcionó debido al crecimiento de moho en el aislamiento de los cables. La materia viva casi había destruido el cableado y se observó un color azulado en los cables (presumiblemente óxidos de cobre), debido a lo cual ocurrió un cortocircuito.

Cada caso de falla de un dispositivo en la estación orbital es una emergencia, y encontrar las causas es de vital importancia. Si algún factor desconocido ha deshabilitado un sistema, puede hacerlo con otro.

La situación era aún más peligrosa porque el moho se propagó en la estación Mir no solo en este dispositivo: los astronautas notaron que la estación olía a manzanas podridas. La razón era la misma: hongos. Para obtener los elementos químicos que necesitan, los hongos descomponen las moléculas del sustrato en el que crecen, secretando varias enzimas. Entonces, el moho destruye gradualmente las partes plásticas, y las enzimas secretadas al mismo tiempo dan el olor a manzanas podridas.



Hoy en día, ese olor no existe en la ISS ya que cuenta con dos módulos "Stream", los cuales afectan a los microorganismos en el aire con pulsos débiles de corriente eléctrica y debido a esto, perforan agujeros en sus paredes celulares (este proceso se llama electroporación). Además, estos agujeros son lo suficientemente grandes como para que la célula muera.

Gracias al trabajo de los "Streams", la concentración de moho en el aire ahora está por debajo de los estándares sanitarios. Pero, aunque se puede limpiar el aire, desafortunadamente, es imposible limpiar completamente las paredes de la estación por electroporación. Además, la limpieza con una aspiradora y servilletas empapadas en peróxido de hidrógeno tampoco es lo suficientemente eficaz.

Las bacterias y los hongos pueden acumularse en lugares apartados, como debajo de cubiertas de plástico o paneles de pared. Las paredes externas de aluminio de la estación están sujetas a grandes diferencias de temperatura, y el interior de la estación está continuamente acondicionado, lo que hace que la condensación caiga periódicamente en el espacio entre las capas de la piel interna y externa, de donde el microorganismo extrae humedad. En tales lugares, su concentración suele ser especialmente alta, con las correspondientes consecuencias.

De hecho, en 2001, se desarrolló otra situación de emergencia en la ISS. A bordo de la estación había un detector de incendios ruso que registraba la cantidad de micropartículas en el aire que pasa a través de ella. Debido al crecimiento de microorganismos alrededor de la aguja del sensor, éste comenzó a dar señales falsas de incendio, lo que irritó a la tripulación.

Y en este caso, solo el retorno del sensor a la Tierra nos permitió establecer la causa del mal funcionamiento. Vale la pena señalar que las consecuencias de tales fallas serían mucho más graves si afectaran el aire acondicionado o los sistemas de recuperación de oxígeno: ninguno tiene redundancia total.

Por supuesto, desde entonces los sistemas de comunicación y el sensor de seguridad contra incendios en la estación se han mejorado para que sea difícil la bioincrustación. Pero el aislamiento plástico de los cables sigue siendo atractivo para las bacterias, y en cualquier momento, su reproducción puede afectar a algún otro dispositivo. Por eso es tan importante controlar el número de microorganismos en la estación y mantenerlo dentro de lo razonable.

Encontrar y contar
¿Cómo se registran los microorganismos en la ISS? En primer lugar, es necesario recolectar muestras. Se aplican instrucciones separadas para esto en los segmentos ruso y americano de la estación, pero en general estos procedimientos son similares. Los cosmonautas, por ejemplo, colocan tampones especiales en las paredes internas de la estación en puntos especialmente regulados, después de lo cual los recogen, empaquetan y envían a la Tierra.

La recolección de muestras comienza no antes de 36 horas antes de la salida de la nave. Para que las bacterias no tengan tiempo de multiplicarse durante este tiempo, los tampones se sumergen en un líquido especial que no mata microorganismos, pero que tampoco les permite crecer.

Después de aterrizar, las bacterias, arqueas y hongos de los hisopos deben cultivarse y luego analizarse en un laboratorio en la Tierra. Para evitar la contaminación de las muestres, los hisopos son separados y aislados uno del otro. Una vez que se completa el cultivo, se puede proceder al cálculo y catalogación de los organismos unicelulares detectados. Se presta especial atención a las bacterias y hongos patógenos que podrían contaminar la ISS.

Sin embargo, este método tiene un inconveniente importante: una porción significativa de los microorganismos no se cultiva en condiciones estándar de laboratorio. Los medios nutritivos habituales de bacterias y hongos no son adecuados. Sin embargo, dichos organismos pueden representar una amenaza para los astronautas y el equipo.

Es por eso que, en 2019, investigadores de Estados Unidos decidieron usar otro método en paralelo con el tradicional: la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), que le permite calcular la cantidad de moléculas de ADN en una muestra. Como resultado, pudieron compilar un catálogo más completo de microorganismos que viven en la ISS.

Paralelamente, resultó que, de todos los microbios encontrados en las superficies del segmento estadounidense de la ISS, solo el 46% de las bacterias vivas y el 40% de los hongos podían detectarse y contarse mediante cultivo. El resto pertenecía a especies no cultivadas, es decir, utilizando métodos estándar era imposible detectarlos.

La vida según GOST
Existen documentos reglamentarios para evaluar la seguridad microbiológica en el espacio. En Rusia, por ejemplo, está vigente el GOST R 50804-95 "El hábitat del cosmonauta en una nave espacial tripulada", que dice cuál es el nivel permisible de bacterias y hongos en el aire y en las paredes de la nave espacial.

El cálculo se realiza en unidades formadoras de colonias especiales (UFC): para el aire, su número de bacterias no debe exceder 600 por metro cúbico, y para los hongos: 100 UFC por metro cúbico. No solo la cantidad, sino también la calidad, son importantes: GOST requiere que no haya bacterias u hongos patógenos en el aire que respiren los astronautas.

Para las superficies donde los microbios tienden a formar biopelículas (después de lo cual ya es muy difícil destruir sus organismos constituyentes), los requisitos son: 500 UFC por 100 centímetros cuadrados para bacterias y 10 UFC en la misma área para hongos. Pero esto es en el momento del lanzamiento del dispositivo, y dado que los microbios se multiplican inevitablemente durante el vuelo, GOST hace un descuento por permanecer en el espacio: 1000 CFU para bacterias y 100 CFU para hongos, nuevamente, sin especies patógenas.

¿Qué mostró el último estudio estadounidense si lo traducimos al GOST ruso? La aplicación del método estándar (cultivo de bacterias de hisopos en el laboratorio) reveló que las paredes del segmento americano de la ISS contienen de 670 UFC a 780 millones de UFC por 100 centímetros cuadrados (sí, en lugares, cientos de miles de veces más que GOST R 50804).

También había muchos hongos: de 1.1 mil a 310 mil UFC por cada 100 centímetros cuadrados. Esto, nuevamente, es muchas veces más de lo que requiere el GOST ruso.


Ocho puntos del segmento estadounidense de la EEI, donde se tomaron muestras para un nuevo estudio (los lugares de muestreo con servilletas se resaltan en azul). En los ocho puntos, la contaminación por hongos excede los estándares MORD en al menos 11 veces; en varios puntos, la contaminación bacteriana es miles y decenas de miles de veces mayor que las normas.

El segundo método, usando PCR, dio resultados no menos impresionantes: el número promedio de bacterias y hongos por cada 100 centímetros cuadrados fue de 31 millones y 7.1 mil UFC, respectivamente, 31 mil veces mayor para las bacterias de lo permitido por GOST, y 71 mil veces para los hongos.

Por supuesto, GOST está escrito para cosmonautas y se aplica formalmente solo a bordo de naves espaciales rusas, por ejemplo, la nave espacial Soyuz. Para el trabajo conjunto en la ISS, Estados Unidos y Rusia adoptaron normas modificadas a fines de la década de 1990: el Documento de requisitos de operaciones médicas de la ISS (MORD).

En este nuevo documento, los estándares para hongos se mantuvieron igual, pero para las bacterias se relajaron significativamente: la presencia de hasta 10,000 UFC por 100 centímetros cuadrados se considera normal, y MORD tiene en cuenta la cantidad de CFU cultivadas, por lo que el método PCR no es aplicable aquí.

Con este enfoque, el exceso de bacterias en el segmento estadounidense de la ISS, según el último estudio, no ascendió a cientos de miles, sino a 78 mil veces.

Quien vive en la estación
La composición de las muestras entregadas por la ISS como parte del mismo estudio en 2019 resultó ser curiosa.

Mediante el método de cultivo, se identificaron 133 especies de bacterias y 81 especies de hongos. Las bacterias pertenecían a tres tipos: actinobacterias, firmicoots (que incluyen muchas bacterias patógenas) y proteobacterias.

Entre los géneros, los más comunes son los estafilococos (26% de todas las especies), el género Pantoea (23%, estas son enterobacterias, incluidos los patógenos oportunistas) y Bacillus (11 %). Staphylococcus aureus se convirtió en el líder entre las especies: el 10% de todas las bacterias encontradas pertenecen a ella.

Para detectar especies no identificadas por cultivo, los investigadores recurrieron nuevamente a la PCR. Durante esta reacción, una sección específica de ADN de una muestra biológica se copia repetidamente de forma selectiva. Al mismo tiempo, el número de secuencias de ADN únicas que distinguen una especie de bacteria de otra está creciendo, y esto permite una determinación más confiable de estas especies.

El método de PCR mostró la presencia de varias especies que no fueron identificadas por cultivo. En general, más del 50% de todas las especies identificadas son enterobacterias. Muchas de sus especies están incluidas en la microflora intestinal normal, pero entre ellas se encuentran el bacilo de la peste, la salmonela y otros patógenos.

Específicamente, en el caso de la ISS, uno puede hablar con confianza solo sobre la detección de E. coli, un patógeno condicional.

Entre los hongos se encuentran la Rhodotorula mucilaginosa (41% de todos los hongos) y hongos de penicilina. Curiosamente, la R. mucilaginosa en algunos casos puede comenzar a multiplicarse en el torrente sanguíneo de una persona, con graves consecuencias para esta, pero solo si toma inmunosupresores o usa un catéter.

Está claro que, si bien los astronautas están sanos, tampoco están particularmente amenazados. Pero en el caso de que uno de ellos necesite cirugía o tomar medicamentos inmunosupresores, la situación puede ser significativamente complicada.

Algo inesperado fue el hecho de que la composición de especies del microbioma de la ISS resultó ser muy diferente de otros medios, que, lógicamente, deberían estar cerca de los "espaciales".

Ni en las "salas limpias" de la NASA (donde se realiza el montaje del equipo espacial), ni en las instalaciones donde se realizan experimentos en vuelos largos a Marte y la Luna, se revela un microbioma como el de la ISS. No solo no se encontraron muchas menos bacterias y hongos allí, sino que se identificaron otras especies dominantes.

Pero el microbioma de la ISS es muy similar al que se encuentra en la mayoría de los edificios terrestres visitados regularmente por personas: gimnasios, oficinas, hospitales. Tanto los edificios como la ISS están habitados por aproximadamente las mismas bacterias y hongos que se encuentran en la piel de animales y humanos. Un ejemplo típico son los estafilococos, los habitantes habituales de nuestra piel y partes del tracto respiratorio superior.

En otras palabras, el microbioma de la estación orbital probablemente entró con la piel de los miembros de la tripulación, y no de ninguna otra fuente.

¿Quién es más limpio?
Por supuesto, puede consolarse con el hecho de que el trabajo del grupo estadounidense se llevó a cabo en la parte estadounidense de la ISS. Pero esto apenas significa que en el sector ruso todo esté en orden.

Según Poddubko, el trabajo de los autores estadounidenses utilizó una metodología ligeramente diferente para contar bacterias formadoras de colonias en comparación con la adoptada en el segmento ruso de la ISS. En particular, los cosmonautas recolectan muestras de las paredes de la estación con tampones y los astronautas, con servilletas. Además, del trabajo publicado no está del todo claro si las cifras más altas se obtuvieron al agregar los resultados para diferentes servilletas.

Sin embargo, es bastante posible exceder los estándares MORD en la ISS. En respuesta a una solicitud de N+1, el RAS IMBP informó que, en septiembre de 2018, se encontraron hasta 3.7 millones de UFC de bacterias por cada cien centímetros cuadrados en algunas partes del interior y detrás de los paneles en el lado ruso de la ISS, lo cual es 370 veces más alto que la norma MORD.


Desglose del número de UFC por metro cuadrado de superficie según el punto de muestreo. Las líneas en la parte superior de las columnas muestran las fluctuaciones entre los resultados más altos y más bajos para cada uno de los ocho puntos. Se puede ver claramente que en varios puntos las cargas microbiológicas máximas son superiores a diez mil millones de UFC por metro cuadrado (las columnas grises son bacterias, las cercanas son hongos). Las cifras se toman sin PCR, es decir, estamos hablando de la evaluación cuantitativa más baja posible.

Al mismo tiempo, enfatizó Poddubko, cada caso que excede las normas de contaminación microbiológica no queda sin consecuencias. La tripulación de la ISS recibe instrucciones para tratar el área problemática utilizando herramientas especiales que contienen peróxido de hidrógeno, que pueden destruir casi cualquier bacteria, pero al mismo tiempo una baja toxicidad para los humanos.

Por sí solo, la superación periódica de los estándares MORD, dice Poddubko, no representa una amenaza grave para la salud de los astronautas. Las normas pueden parecer incluso demasiado rígidas, pero esto es solo a primera vista.

La nave espacial es un sistema sellado, y cualquier tipo de microorganismo que haya ingresado puede permanecer allí para siempre. En condiciones terrestres, las habitaciones que requieren esterilidad, como las salas de operaciones en los hospitales, se desinfectan con desinfectantes a base de cloro altamente efectivos. Pero estos no pueden usarse en la ISS: en habitaciones herméticas, los compuestos que contienen cloro son peligrosos para las personas.

En teoría, la misma ISS podría estar equipada con instalaciones de filtración capaces de limpiar el aire de desinfectantes fuertes, pero el peso y las dimensiones de dichos equipos son demasiado grandes para las capacidades actuales de la tecnología espacial. Por lo tanto, es comprensible el deseo de aquellos que desarrollan estándares de protección microbiológica para depositar ciertas reservas en ellos, es decir, hacerlos lo más estrictos posible.

Infección en el espacio
En 2016, Estados Unidos resumió las historias clínicas acumuladas durante 20.57 años de personas dedicadas a la ISS. Representaron 70 casos que en teoría podrían ser causados ​​por microorganismos.


Clasificación 70 casos de enfermedades de astronautas estadounidenses a bordo de la ISS. Algunos de ellos, incluidos los causados ​​por una infección, pueden estar asociados con el microbioma de la estación, aunque es difícil establecerlo sin tener un médico en la estación.
Brian Crucian y col. / Int J Gen Med. 2016

Sin embargo, algunos de ellos deben ser excluidos de consideración. Por ejemplo, dos personas tenían síntomas de alergia, que podría ser causada por diferentes razones, por lo que es imposible vincularla sin ambigüedades con una carga microbiológica.

En 20 casos, se registraron uno u otro síntoma de "resfriado": estornudos, tos, acumulación de esputo en el tracto respiratorio, rinitis. No está claro cuán inequívocamente están asociados estos eventos con los microbios de la ISS: los astronautas podrían traer microbios patógenos, incluso a pesar de la estricta cuarentena.

Seis víctimas de herpes también podrían ser portadores del virus desde la Tierra, que solo se activó bajo las condiciones de la ISS debido al desequilibrio de la inmunidad en las nuevas condiciones. Las quejas de dolor y picazón en seis oídos, así como un caso aislado de faringitis, también podrían ser causadas por una variedad de razones que no estaban relacionadas con la situación microbiológica en la estación.

Pero también hay casos en esta lista en los que el papel de una infección externa no está en duda. Estos son 23 casos de erupción cutánea e hipersensibilidad, seis casos de infecciones de la piel, incluida la purulencia en heridas y cortes, dos casos de infecciones del tracto urinario y otros cuatro casos infecciosos.

Pero docenas de casos de enfermedades infecciosas durante más de 20 años no son un indicador alto, especialmente cuando se considera que el sistema inmunitario se reconstruye en el espacio y esto obviamente aumenta la vulnerabilidad del cuerpo a las infecciones. El astronauta promedio puede pasar todo un año en el espacio y no enfrentarse a una infección más o menos grave.

Aterrizaje microbiano en Marte
La humanidad no solo irá a la órbita inferior de la Tierra. Tarde o temprano, los entornos con carga microbiológica del nivel de la ISS pueden alcanzar otros planetas. Y esto puede crear ciertos riesgos para el nuevo hábitat.

En experimentos con una serie de arqueas productoras de metano, se descubrió que no solo sobreviven, sino que también se multiplican bajo la presión atmosférica marciana: todo lo que necesitan es pequeñas cantidades de hidrógeno, que deberían formarse abiogénicamente en Marte debido a la interacción del agua subterránea con rocas olivinas

Al mismo tiempo, más de un centenar de variedades de arqueas viven en el intestino humano, y la mayoría de ellas simplemente aún no han sido examinadas por su capacidad de vivir en condiciones marcianas. Es decir, es prácticamente imposible decir con certeza qué especies del microbioma de la estación espacial echarán raíces en Marte y cuáles no.


Según varios estudios, la formación de anticuerpos en la inmunidad humana en microgravedad es diferente a en la Tierra, y en teoría esto puede simplificar la infección de los astronautas con enfermedades infecciosas.
NASA

Por supuesto, hoy la ISS no puede abandonar su órbita, y ninguno de los cohetes existentes de la NASA y Roscosmos es capaz de volar incluso a la Luna, sin mencionar el Marte potencialmente habitado. Pero la situación puede cambiar dramáticamente: el primer demostrador de una nave capaz de aterrizar en Marte ya despegó de la Tierra en el verano de 2019.

En términos del volumen sellado, una nave de tamaño completo de este tipo corresponde a la ISS, y durante el vuelo su microbioma inevitablemente se volverá bastante numeroso, como en los mismos módulos de la ISS. Teóricamente, esto significa que las mismas arqueas metanogénicas pueden llegar a Marte con naves espaciales terrestres. Hoy, nadie sabe cómo prevenir tal desarrollo de eventos.

Svetlana Poddubko ha notado que este problema ha estado enfrentando durante mucho tiempo a la comunidad científica. Existen normas de saneamiento para todos objetos enviados a cuerpos espaciales donde es probable que se someta el agua líquida. Además de Marte, incluyen una serie de "lunas de hielo" de planetas gigantes.

Sin embargo, hipotéticamente, tales medidas pueden ser insuficientes. Ninguna desinfección puede eliminar el microbioma de las personas.

Como saben, hay varias veces más células bacterianas y arqueológicas en una persona que las suyas, y cualquier intento de eliminar por completo a un organismo vivo de un microbioma conducirá a su muerte, ya que esto será seguido por una falla completa de los sistemas inmunes y digestivos.

Es por eso que, a pesar de la importancia de las medidas para desinfectar barcos y equipos, es imposible decir con confianza que podemos prevenir la introducción de formas de vida terrestre en otros planetas.https://nmas1.org/material/2019/09/05/bacterias-iss-informe