Gut Microbes+ Microbiome | 揭示太空环境对微生物的影响

从神话故事“嫦娥奔月”，到现在的载人航天、空间站的建立，我们从未停止对宇宙的探索。在不断拓展太空图谱的同时，太空中的辐射、微重力、高真空等极端环境，会对小鼠/宇航员体内微生物产生哪些影响，而暴露于太空的微生物，又可以为航天任务提供哪些信息呢？借助16S 扩增子、宏基因组、转录组等生物学技术，我们一起来探究在太空环境下，微生物所发生的变化。

航天飞行期间，小鼠肠道微生物和宿主代谢的变化[1]

肠道微生物通过与宿主免疫、代谢和神经功能相互作用，对哺乳动物健康有着重要作用。特定的空间环境因素，可能会改变宿主的肠道菌群，对宇航员的健康构成威胁，特别是在国际空间站（ISS）进行长期飞行任务期间。然而，影响肠道微生物群的特定空间环境因素以及这些变化对宿主功能的影响尚不清楚。

2019年,发表在Microbiome 题为“Reproducible changes in the gut microbiome suggest a shift in microbial and host metabolism during spaceflight”的研究，文章借助16S rRNA扩增子和NASA基因实验室数据库中的转录组数据，对在ISS上飞行37天的小鼠进行分析，发现与地面对照组相比，航天飞行小鼠肠道微生物组α多样性升高和1个目、1个科、5个属和6个物种的类群丰度发生显著变化，但这些变化不同于在地球上进行的模拟太空辐射引起的小鼠肠道菌群变化，表明微重力（而非辐射）或是主要影响因素。研究同时检测了小鼠肝脏转录组与肠道微生物代谢途径预测的相对基因丰度之间的相关性，发现宿主基因在肝脏中的表达与航天飞行中肠道微生物代谢途径预测的基因丰度是一致的。这些结果表明肠道微生物群的变化是哺乳动物适应太空环境的关键组成部分，对哺乳动物的功能代谢具有重要意义，并为未来开发基于微生物群的应对措施，以降低人类在长期太空飞行期间的健康风险提供了数据基础。

航天飞对人体肠道菌群组成和功能的影响[2]

当宇航员暴露在太空环境中时，他们的生理会发生很大的变化。阐明航天飞行对机体肠道菌群组成和功能的影响，对维护航天飞行过程中机体肠道菌群的稳态及顺利完成航天飞行具有重要意义。

肠道菌群中门水平上菌种归属与抗性基因分布的关系

2020年，发表Gut Microbes 题为“Effects of spaceflight on the composition and function of the human gut microbiota”的研究，文章对来自执行过两次航天任务（飞行时间分别为15天和35天）的宇航员粪便样本进行宏基因组测序，这是首次阐明短期航天飞行对人体肠道菌群影响的研究。分析发现，在航天条件下，宇航员的肠道菌群在门和属水平上的top10物种丰度波动明显，航天飞行后肠道菌群属的丰富度降低，表明飞行可能导致健康的菌群的缺乏。此外，航天飞行会影响肠道菌群功能—抗生素生物合成的酶反应，导致菌群毒力基因总数增加。总之，太空飞行影响了人体肠道微生物群的组成和功能，这些结果提示在未来的航天飞行中应该考虑人体的肠道菌群，并且需要更多的研究来分析在特殊环境条件下机体和肠道菌群之间的相互作用及其关系。

国际空间站（ISS)上的微生物[3]

ISS是一个独特的密闭建筑环境，新机组人员和用品的到来是将新微生物引入ISS的唯一来源。新微生物的引入、繁殖以及扩散可能对机组人员的最佳表现以及航天器材或居住环境的安全性产生负面影响。

2022年，发表在 Microbiome 题为“Microbial Tracking-2, a metagenomics analysis of bacteria and fungi onboard the International Space Station”的研究，文章对ISS的8个位置进行采样，并进行宏基因组测序分析。发现葡萄球菌和马拉色菌分别是ISS中最具代表性的细菌和真菌种类，ISS的表面菌群主要由与人类皮肤相关的微生物组成。多维标度和差异丰度分析显示微生物种群在时间上有显著变化，但没有空间上的差异。在所有样本中共检测到29种耐药基因，其中大环内酯类抗生素类抗生素耐药最为普遍。对宏基因组数据进行组装得到82个MAGs，这些MAGs的功能评估显示氨基酸利用倾向于碳水化合物代谢。共线分析表明，细菌属和真菌属物种之间有很强的关联。这些数据可能有助于为未来的空间任务提供政策信息，以确保国际空间站的表面微生物群可促进宇航员健康和航天器完整性。

伴随着航天技术和生物科技的发展，科学家们对空间微生物也愈加关注。这些非肉眼可见的生物们在帮助我们更好地认识宇宙的同时，也在提醒我们要更加清醒认识其潜在危害，进而采取更为科学有效的方法来制定太空飞行战略。

参考文献

[1] Jiang P. Reproducible changes in the gut microbiome suggest a shift in microbial and host metabolism during spaceflight[J]. Microbiome, 2019.

[2] Liu Z. Effects of spaceflight on the composition and function of the human gut microbiota[J]. Gut Microbes, 2021, 807-819.

[3] Camilla U. Microbial Tracking-2, a metagenomics analysis of bacteria and fungi onboard the International Space Station[J]. Microbiome, 2022.