Studie wirft gesundheitliche Bedenken für Astronauten auf

Forschungsteam stellt fest, dass Salat und andere Pflanzen im Weltraum anfälliger für bakterielle Infektionen sind als auf der Erde.

Salat und anderes grünes Blattgemüse gehören zu einer gesunden, ausgewogenen Ernährung – auch für Astronauten auf Mission.

Es ist mehr als drei Jahre her, dass die National Aeronautics and Space Administration (NASA) machte aus dem Weltraum angebauten Salat zu einem Menüpunkt für Astronauten an Bord der Internationale Raumstation. Zusätzlich zu ihren Grundnahrungsmitteln aus Weizentortillas und Kaffeepulver im Weltraum können Astronauten einen Salat zu sich nehmen, der in Kontrollkammern an Bord der ISS angebaut wird, die die ideale Temperatur, Wassermenge und das Licht bestimmen, die Pflanzen zum Reifen benötigen.

Die Herausforderung von Krankheitserregern im Weltraum

Aber es gibt ein Problem. Auf der Internationalen Raumstation gibt es viele pathogene Bakterien und Pilze. Viele dieser krankheitserregenden Mikroben auf der ISS sind sehr aggressiv und können leicht das Gewebe von Salat und anderen Pflanzen besiedeln. Sobald Menschen Salat essen, der von E. coli oder Salmonellen befallen ist, können sie krank werden.

Jedes Jahr stecken die NASA und private Unternehmen Milliarden von Dollar in die Weltraumforschung SpaceXEinige Forscher befürchten, dass ein Ausbruch einer durch Lebensmittel verursachten Krankheit an Bord der Internationalen Raumstation eine Mission zum Scheitern bringen könnte.

In einer neuen Studie veröffentlicht in Wissenschaftliche Berichte und in npj Mikrogravitation, bauten Forscher der University of Delaware Salat unter Bedingungen an, die die schwerelose Umgebung an Bord der Internationalen Raumstation imitierten. Pflanzen sind Meister darin, die Schwerkraft zu spüren, und sie nutzen ihre Wurzeln, um sie zu finden. Die an der UD gezüchteten Pflanzen wurden durch Rotation einer simulierten Mikrogravitation ausgesetzt. Die Forscher fanden heraus, dass diese Pflanzen unter der künstlichen Schwerelosigkeit tatsächlich anfälliger für Infektionen durch einen menschlichen Krankheitserreger, Salmonellen, waren.

Stomata, die winzigen Poren in Blättern und Stängeln, die Pflanzen zum Atmen nutzen, sind normalerweise geschlossen, um eine Pflanze zu verteidigen, wenn sie einen Stressfaktor wie Bakterien in der Nähe wahrnimmt, sagte Noah Totsline, ein Absolvent der Abteilung für Pflanzen- und Bodenwissenschaften der UD, der seinen Abschluss gemacht hat Programm im Dezember. Als die Forscher im Rahmen ihrer Mikrogravitationssimulation Bakterien zu Salat hinzufügten, stellten sie fest, dass das Blattgemüse seine Spaltöffnungen weit öffnete, anstatt sie zu schließen.

„Die Tatsache, dass sie offen blieben, als wir sie scheinbar mit Stress konfrontierten, war wirklich unerwartet“, sagte Totsline.

Totsline, der Hauptautor beider Artikel, arbeitete mit dem Pflanzenbiologieprofessor Harsh Bais sowie der Professorin für mikrobielle Lebensmittelsicherheit Kali Kniel und Chandran Sabanayagam vom Delaware Biotechnology Institute zusammen. Das Forschungsteam verwendete ein Gerät namens Clinostat, um Pflanzen mit der Geschwindigkeit eines Brathähnchens auf einer Spinnerei rotieren zu lassen.

„Tatsächlich wüsste die Anlage nicht, wo oben oder unten ist“, sagte Totsline. „Wir haben ihre Reaktion auf die Schwerkraft irgendwie verwirrt.“

Es sei keine echte Mikrogravitation, sagte Totsline, aber sie habe dazu beigetragen, dass Pflanzen ihren Richtungssinn verloren hätten. Letztendlich stellten die Forscher fest, dass Salmonellen offenbar unter simulierten Mikrogravitationsbedingungen leichter in Blattgewebe eindringen können als unter typischen Bedingungen auf der Erde.

Darüber hinaus haben Bais und andere UD-Forscher gezeigt, dass ein Helferbakterium namens B. subtilis UD1022 das Pflanzenwachstum und die Widerstandsfähigkeit gegen Krankheitserreger oder andere Stressfaktoren wie Dürre fördert.

Sie fügten der Mikrogravitationssimulation das UD1022 hinzu, das Pflanzen auf der Erde vor Salmonellen schützen kann, und dachten, es könnte den Pflanzen helfen, Salmonellen in der Mikrogravitation abzuwehren.

Stattdessen stellten sie fest, dass das Bakterium tatsächlich nicht in der Lage war, Pflanzen unter weltraumähnlichen Bedingungen zu schützen, was daran liegen könnte, dass das Bakterium nicht in der Lage war, eine biochemische Reaktion auszulösen, die eine Pflanze dazu zwingen würde, ihre Spaltöffnungen zu schließen.

„Dass UD1022 die Stomata unter simulierter Mikrogravitation nicht schließen konnte, ist sowohl überraschend als auch interessant und öffnet eine weitere Dose voller Würmer“, sagte Bais. „Ich vermute, dass die Fähigkeit von UD1022, den Stomata-Verschluss unter Schwerelosigkeitssimulation zu verhindern, die Pflanze überfordern und dazu führen könnte, dass die Pflanze und UD1022 nicht mehr miteinander kommunizieren können, was Salmonellen dabei hilft, in eine Pflanze einzudringen.“

Lebensmittelbedingte Krankheitserreger an Bord der Internationalen Raumstation

Mikroben sind überall. Diese Keime befinden sich auf uns, auf Tieren, auf der Nahrung, die wir essen, und in der Umwelt.

Kali Kniel, Professorin für mikrobielle Lebensmittelsicherheit an der UD, sagte natürlich, dass überall dort, wo sich Menschen aufhalten, die Möglichkeit besteht, dass bakterielle Krankheitserreger koexistieren.

Nach Angaben der NASA leben und arbeiten jeweils etwa sieben Menschen auf der Internationalen Raumstation.

Es ist zwar nicht die engste Umgebung – etwa so groß wie ein Haus mit sechs Schlafzimmern –, aber es ist dennoch ein Ort, an dem Keime verheerende Schäden anrichten können.

„Wir müssen auf die Risiken im Weltraum für diejenigen, die jetzt auf der Internationalen Raumstation leben, und für diejenigen, die möglicherweise in Zukunft dort leben könnten, vorbereitet sein und diese verringern“, sagte Kniel. „Es ist wichtig, besser zu verstehen, wie bakterielle Krankheitserreger auf die Mikrogravitation reagieren, um geeignete Strategien zur Eindämmung zu entwickeln.“

Kniel und Bais bringen seit langem ihre Fachgebiete mikrobielle Lebensmittelsicherheit und Pflanzenbiologie zusammen, um menschliche Krankheitserreger auf Pflanzen zu untersuchen.

„Um Wege zur bestmöglichen Reduzierung der mit der Kontamination von Blattgemüse und anderen landwirtschaftlichen Erzeugnissen verbundenen Risiken zu entwickeln, müssen wir die Wechselwirkungen zwischen menschlichen Krankheitserregern und im Weltraum angebauten Pflanzen besser verstehen“, sagte Kniel. „Und das geht am besten mit einem multidisziplinären Ansatz.“

Eine wachsende Bevölkerung auf der Erde, ein größerer Bedarf an sicheren Lebensmitteln im Weltraum

Es kann eine Weile dauern, bis Menschen auf dem Mond leben können oder Marsaber die UD-Forschung hat einige große potenzielle Auswirkungen auf das Zusammenleben im Weltraum.

Laut einem Bericht der Vereinten Nationen könnten im Jahr 2050 9,7 Milliarden Menschen und im Jahr 2100 10,4 Milliarden Menschen auf der Erde leben.

Darüber hinaus sagte Bais, Professor für Pflanzenbiologie an der UD, dass die Lebensmittelsicherheit und die Lebensmittelsicherheitsmaßnahmen weltweit bereits ihren Höhepunkt erreicht hätten. Da im Laufe der Zeit landwirtschaftliche Flächen für den Nahrungsmittelanbau verloren gehen, „werden die Menschen bald ernsthaft über alternative Wohnräume nachdenken“, sagte er. „Das ist keine Fiktion mehr.“

Und anscheinend werden die Centers for Disease Control and Prevention oder die US-amerikanische Food and Drug Administration einen Rückruf für bestimmte Salate auf der Erde herausgeben und den Menschen sagen, sie sollten ihn wegen der Gefahr von E. coli oder Salmonellen nicht essen.

Da Blattgemüse für viele Astronauten das Nahrungsmittel der Wahl ist und sich leicht in Innenräumen wie einer Hydrokulturumgebung in der Internationalen Raumstation anbauen lässt, ist es laut Bais wichtig, sicherzustellen, dass dieses Grün immer sicher zu essen ist.

„Sie wollen nicht, dass die ganze Mission nur wegen eines Lebensmittelsicherheitsausbruchs scheitert“, sagte Bais.

Lösungen: sterilisiertes Saatgut und verbesserte Genetik

Was kann also getan werden, wenn Pflanzen in einer Mikrogravitationsumgebung ihre Stomata weiter öffnen und Bakterien leichter eindringen können?

Es stellt sich heraus, dass die Antwort nicht so einfach ist.

„Der Beginn mit sterilisierten Samen ist eine Möglichkeit, das Risiko von Mikroben auf Pflanzen zu verringern“, sagte Kniel. „Aber dann könnten sich Mikroben in der Weltraumumgebung aufhalten und auf diese Weise auf Pflanzen gelangen.“

Bais sagte, Wissenschaftler müssten möglicherweise die Genetik der Pflanzen optimieren, um zu verhindern, dass sie ihre Stomata im Weltraum weiter öffnen. Sein Labor untersucht bereits verschiedene Salatsorten mit unterschiedlicher Genetik unter simulierter Mikrogravitation.

„Wenn wir zum Beispiel eine Sorte finden, die ihre Spaltöffnungen schließt, im Vergleich zu einer anderen, die wir bereits getestet haben und die ihre Spaltöffnungen öffnet, dann können wir versuchen, die Genetik dieser beiden verschiedenen Sorten zu vergleichen“, sagte Bais. „Das wird uns viele Fragen darüber aufwerfen, was sich ändert.“

Alle Antworten, die sie finden, könnten dazu beitragen, zukünftige Probleme mit Rucolasalat zu verhindern.

Verweise:

„Simulierte Mikrogravitation erleichtert das Eindringen von Stomata Salmonellen in Salat und unterdrückt ein Biokontrollmittel“ von Noah Totsline, Kalmia E. Kniel, Chandran Sabagyanam und Harsh P. Bais, 9. Januar 2024, Wissenschaftliche Berichte.
DOI: 10.1038/s41598-024-51573-y

„Mikrogravitation und Umgehung der angeborenen Immunität von Pflanzen durch menschliche bakterielle Krankheitserreger“ von Noah Totsline, Kalmia E. Kniel und Harsh P. Bais, 7. September 2023, npj Mikrogravitation.
DOI: 10.1038/s41526-023-00323-x

Die Forschung wurde von NASA-EPSCoR finanziert.