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天上一日 地上十年 “偷渡”到太空的微生物有多强

2018-12-04 09:22来源:科技日报

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  伴随载人航天的发展,为解决航天活动中的微生物感染问题,空间微生物学逐渐兴起。如何利用太空资源展开微生物研究,服务人类,成为空间微生物学研究的主要内容。尽管不是首个发展载人航天的国家,但我国比较系统地研究了空间生物学,并最先开辟了空间微生物学这一新领域。

  许多人好奇,空间微生物是什么?人类如何利用它们?空间微生物学发展至今取得哪些基础研究成果?在近日举行的第三届空间微生物学与感染学术大会暨转化应用战略研讨会上,空间微生物学开拓者和奠基人、解放军总医院主任医师刘长庭教授表示,空间微生物基础研究,主要涉及空间微生物发展现状,空间环境对病原菌毒力、耐药及代谢的影响,对腐蚀微生物表观遗传学改变的作用,以及微生物安全性研究等。

  空间环境 加速微生物变异

  微生物作为地球上进化历史最长、生物量最大、生物多样性最丰富的生命形式,影响着人类健康乃至地球生态系统稳定,蕴藏着极为丰富的资源。

  研究证实,在航天活动中,地球上的微生物不可避免随人体或设备进入太空。空间环境可以加速微生物变异,所谓“天上一日,地上十年”,原因在于空间环境具有微重力、辐射、高真空、弱磁场以及极度温差等特点,会加速微生物变异。

  中国研究型医院学会空间微生物学与感染专业委员会秘书长兼青年委员会主任委员、解放军总医院第三医学中心副主任医师常德在会上介绍,目前空间微生物研究主要包括三种类别,一是病原微生物,包括航天员太空感染防控、地面难治性感染的防治;二是腐蚀微生物,包括空间站设备的防腐研究、新型抗菌材料的研制;三是工业微生物,包括空间微生物制药产业、空间工业微生物的诱变育种。

  目前为止,刘长庭团队对空间生物医学的研究已经历三个阶段,第一阶段是空间环境对人体呼吸系统的生理学效应及机制,第二阶段是空间环境对微生物的作用和机制,包括致病性、耐药性和腐蚀性。第三阶段涵盖面最广,也是我国目前所处阶段,主要包括航天员健康、航天设备安全、空间微生物制药、空间微生物工业应用、空间微生物数据、空间微生物搭载、空间微生物学转化等。

  病原微生物 威胁航天员健康

  国际空间站的航天员们曾多次发生呼吸道、皮肤、结膜等多处感染,且在轨时间越长,感染几率越大。

  刘长庭告诉科技日报记者,空间环境条件下,机体免疫力下降,同时病原菌毒力增强,一旦航天员发生感染,治疗措施有限,处理难度加大。

  高致病性、多重耐药性病原菌感染在临床极为常见,易于交叉感染,治疗难度大。相关研究揭示,病原菌致病和耐药机制、探索新靶标,是感染性疾病临床救治和防控的关键。

  空间环境加速病原菌变异,为研究病原菌提供了一个独特的前瞻性研究手段。刘长庭透露:“我们已经获得了太空环境诱导下性状发生改变的微生物,有利于保障地面难治性感染的前瞻性研究和防控航天员感染;还获得了毒力和耐药性相关的重要基因、蛋白和非编码RNA序列,为地面难治性感染和航天员感染的防治提供了靶标。”

  腐蚀微生物 缩短航天器寿命

  载人航天器密闭环境容易滋生细菌和真菌。“和平”号运行十余年检测到234种微生物,它们在电路板、仪表盘和宇航服形成生物膜,微生物生长繁殖和代谢会腐蚀这些材料,严重威胁空间站长期在轨运行安全,缩短空间站服役时间。

  根据微生物产生、传播和腐蚀作用,结合长期空间环境下微生物腐蚀材料的影响因素、作用机理和抗菌材料性能评价,刘长庭介绍到:“目前已经确定了微生物源控制、舱内环境流动相控制和结构表面固定相控制三个模式,并构建了航天器微生物综合控制技术总体方案。”

  微生物源控制方面,刘长庭团队已经掌握了抗菌清洁用品、粪便消毒处理、高效水净化、废弃物真空密封保存技术。舱内环境流动相控制方面,也已经取得氧气或二氧化碳分子筛过滤安全调配技术、挥发性有机物光催化分解技术、循环过滤除尘除臭灭菌系统等相关成果。结构表面固定相控制方面,研制了包括纳米抗菌绝缘高分子复合材料、金属表面长效抗菌涂层、舱壁高效洗涤剂。

  该团队研制的某材料已通过多家权威机构的检测认证,2小时杀菌率达99.9%,且具有除异味、耐腐蚀、高效稳定、使用寿命长等特点,可广泛应用于航天、航空、航海、家电、汽车、建筑、医疗卫生、食品加工等诸多领域。

  工程微生物 空间育种服务人类

  刘长庭团队系统建立了生物样品的飞船搭载系统,对我国将来空间搭载和太空生命科学研究具有重大意义。

  神舟十号载人飞船搭载的部分乳杆菌经空间诱变后产酸速率加快,苯乳酸和4-羟基苯乳酸产量、总抗氧化能力以及胃肠道逆环境耐受能力都有所提高,基于该菌株已转化出复合益生菌-太空菌ST20;罗伊氏乳杆菌,其益生菌活菌产量大大提升,成品酸奶凝乳结实、口感细腻柔滑。

  益生乳酸菌及其代谢产物好处很多,一方面能够维持人体微生态平衡,比如抗炎、抗氧化、抑制黑色素生成,另一方面还能产生透明质酸,起到抗氧化、补水、保湿作用。

  “利用太空资源服务于人类健康是当前的重要课题。”刘长庭说,未来空间微生物的主要科研方向包括“微生物的空间诱变育种,以及建立包括空间微生物数据平台、空间微生物制药平台、空间微生物工业应用平台、空间微生物搭载平台在内的空间微生物转化应用中心。”

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  空间微生物分子效应学说

  中国载人航天办公室1992年成立,1997年,作为首批参加空间生物医学研究的团队,刘长庭课题组完成了神舟8、9、10、11号飞船及天宫二号空间实验室微生物搭载任务,进行众多开拓性研究后取得许多系统性和原创性成果,创立空间微生物学学科。

  刘长庭作为该领域学界领军人物,2017年应世界著名杂志《环境微生物学》邀请撰写空间微生物学综述,在世界上首次提出空间微生物分子效应学说,产生广泛影响。

  空间微生物分子效应学说的基本观点是,空间环境影响微生物基因性质和分子结构,进而产生表型的改变。在此学说下提出三个理论,即空间微生物毒力突变与人体互利共生理论;空间微生物突变与代谢相关空间制药理论;空间微生物腐蚀与洗消材料技术理论。并相应提出三个应用方向,即保障航天员与人类健康、感染性疾病治疗;药物、功能性食品及保健性食品等研发;以及延长航天器在轨运行时间等。(唐 芳)

[责编:张佳兴]

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