研究人员指南 ： 微生物研究
微生物研究国家航空航天局研究人员指南 ： 该国际空间站 （ ISS ） 研究人员指南由 NASA ISS 发布ResearchIntegration办公室。作者:Audrie A. Colorado, Ph. D. Sarah L. Castro - Wallace, Ph. D.C. Mark Ott 博士以前的贡献者 ：David J. Smith 博士执行编辑 ： Bryan Dansberry 技术编辑 ： Carrie Gilder 设计师 ： Cory Duke发布日期 ： 2013 年 6 月修订版 ： 2021 年 7 月盖和后盖:a.宇航员博士Peggy Whitso 在微重力科学手套箱 （ MSG ） 内的表面样品试剂盒 （ SSK ） 接触载玻片上评估微生物的生长，这是 Space - 3 基因研究的一部分。SSK 接触幻灯片被用作船员卫生保健系统对 ISS 的常规微生物监测的一部分。首先在太空飞行中，博士Whitso 从菌落中收集细胞并将其置于 miiPCR 中进行 DNA 提取和基因扩增。此后, 她使用 MiION (未显示) 对从这些生物体扩增的 DNA 进行测序。ISS 上获得的标识与返回的 SSK 幻灯片的标称处理后在地面上确定的标识相匹配。这标志着首次在地球外收集、培养和鉴定未知生物。b.后盖 1: 计算机生成的细菌图像。c.封底 2 ： 计算机生成的病毒图像。2 实验室是开放的以每秒近 5 英里的速度绕地球运行，存在一个几乎相当于足球场大小的结构，重约一百万磅。国际空间站 （ ISS ） 证明了国际合作和工程方面的重大成就，支持了超过 19 年的科学知识和技术发展。ISS 是一个真正独特的研究平台，为商业，政府和学术用户提供开创性的研究机会。通过对国际空间站进行研究可以发现的可能性是无穷无尽的，并且有可能为地球上的生命和未来的长期深空探索任务做出更大的贡献。随着我们越来越多地利用国际空间站作为国家实验室 ， 现在是时候让研究人员提出新的研究 ， 并发现新的反应 ， 这些反应无法在地球上使用传统方法定义。宇航员在国际空间站上拿着微生物空气采样器 （ MAS ） Petri 盘。 MAS 用于收集机舱空气气氛 ， 以评估微生物负荷。 44 5国际空间站研究环境的独特特征1.微重力失重或失重改变了物理和生命科学中许多可观察到的现象。受微重力影响的系统和过程包括表面润湿和界面张力，多相流和传热，多相系统动力学，凝固以及火灾现象和燃烧。微重力诱导了从细菌到人类的生物体的大量变化，包括基因表达的整体变化和细胞的 3 - D 聚集成组织样结构。2.极端条件在国际空间站环境中 ， 包括暴露于极端高温和低温循环、超真空、原子氧和高能辐射。暴露于这些极端条件的材料的测试和鉴定提供了数据 ， 使制造长 -在地球上以及世界上最先进的卫星和航天器组件中使用的生命可靠组件。3.低地球轨道为国际空间站提供了一个独特的有利位置 ， 高度约为 240 英里 （ 400 公里 ） ， 轨道路径超过地球人口的 90 ％ 。这可以提供改进与典型地球遥感卫星的太阳同步轨道相比 ， 空间分辨率和可变的照明条件。5 6目录微生物学研究的重点ISS7ISS 作为微生物研究平台的优势 ISS 微生物研究平台微生物对太空飞行的意外反应文化12建成的微生物学Environment16水处理系统中的生物膜和生物污染微生物多样性 ， 浓度和抗生素抗性宇航员微生物组21启动地面研究 - 太空飞行类似物23太空飞行模拟的一个例子 - 旋转壁船生物反应器的洞察力从旋转中的微生物培养中获得壁容器生物反应器主要调查人员应该知道什么进行研究ISS28资助 ， 开发和启动 ISS ISS 美国国家实验室的研究其他政府机构国际资金来源引文32首字母缩略词43 7微生物学研究国际空间站的优先事项我们正处于太空探索和相关科学研究的下一个巨大飞跃的风口浪尖。私营部门重振了太空竞赛，一些国家已经确认了发展强大的人类航天计划的意图。美国的目标是充分利用国际空间站 （ ISS ），并将其探索目标定在近地轨道之外。正如我们确定的。我们下一代太空飞行的目的地 ， 关于太空飞行环境对人体生理和不可避免地伴随它们的微生物的影响 ， 还有几个问题尚未得到回答。先前的太空飞行研究表明 ， 微重力可以更好地理解这些好处不仅对人类的深空探索 ， 而且对提高地球上的生活质量至关重要。人既是一个个体有机体 ， 也是一个完整的生态系统 ， 包括体内、体内和周围的微生物 ， 其中微生物细胞的数量与人体细胞的数量大致相等。在大多数情况下 ， 这些微生物对它们的人类宿主是有益的或者是无害的。给定一组正确的条件，许多其他良性微生物可以成为致病性。因此，所有 NASA 任务中都存在潜在的病原体 （ Rogers 1986，Castro 2004 ） 。保护措施，如严格的微生物监测，谨慎的车辆设计和飞行前机组人员隔离，用于降低任务期间传染病的风险 （ 约翰斯顿 1969 年，罗杰斯 1986 年 ） 。在过去的 50 年中 ， 结合了操作经验 ， 太空飞行和地面研究 ， 为传染病风险以及必要的预防措施提供了巨大的见解 （ Johnston 1969 ， Taylor 1972 ， Taylor 1976 ， Facius 1978 ， Fang 1997 ， Nickerson 2004 ， Ott 2004 ） 。定义和减轻航天器上微生物污染的来源 ， 并记录许多微生物对航天环境的反应 ， 使得我们能够在理解这种环境如何影响微生物生态、微生物基因型和表型特征以及它们与植物和动物宿主的相互作用方面确定关键差距。当我们展望人类行星际探索时 ， 这些知识的重要性势在必行。随着国际空间站上人类的占有率和持续时间的增加 ， 这些知识差距正在变得更好地定义。 8利用微重力环境作为基础研究平台可以获得很多收益。地球上的生命是在重力的存在下进化的。因此，在降低太空飞行重力的情况下进行研究有可能确定这种物理力如何塑造地球生命。以前的太空飞行和地面太空飞行模拟研究已经确定，即使是微生物，地球上最小的生命形式，也本质上能够对这种力量的变化做出反应 （ Dicso 1991，Mishra 1992，Nicerso 2000，Nicerso 2004 ） 。尽管在太空飞行中进行了 50 多年的微生物研究 ， 但对微生物对太空飞行培养的反应以及太空飞行环境如何刺激这些反应的透彻了解才刚刚开始被理解。微重力作为研究工具 ， 加上当前的分子技术，为研究人员提供了确定这种物理力的变化如何在细胞，分子和进化水平上影响微生物生命的机会。这种潜力并不令人惊讶，因为对复杂的医学，环境和农业问题的创新答案已经从评估地球上许多极端环境中微生物的特性中产生 （ Nicerso 2004 ） 。同样，航天环境中微生物的研究对于未来的基础研究和工业应用具有相当大的潜力。对微生物生态学，基因型和表型特性以及航天环境中微生物的传染性疾病引起潜力的研究可能揭示了使用地球上传统方法无法阐明的新机制，在地球上重力可能会限制我们发现独特的细胞反应。ISS 作为微生物研究平台国际空间站提供了一个独特的研究平台，增强了我们对重力对微生物影响的认识。这种独特的环境可以更好地了解通常被重力掩盖的微生物机制和相互依存关系，从而深入了解包括微生物生理学，微生物相互作用，分子微生物学和微生物生态学在内的领域。国际空间站也是研究复杂的，孤立的 “岛状 ” 生态系统中的微生物的理想环境。许多科学研究都集中在经典实验意义上没有得到良好控制的复杂生态系统，或者是受到良好控制但在尺寸和 / 或多样性方面受到严重限制的非常简单的生态系统。迄今为止，复杂的受控生态系统尚未持续存在。 9长期，因此研究其中的微生物动力学必然是短期的努力。自从在轨道上开始建造时首次发射以来，国际空间站一直是一个相对封闭的系统，在少量货物补给任务和机组人员更换期间发生微生物交换。影响微生物生长和反应的因素得到很好的监测和记录，包括环境条件，如温度和湿度以及船员的饮食和活动。还评估了新的 ISS 模块和运输的货物的微生物多样性和浓度。ISS 微生物研究平台的好处ISS 研究平台提供了一个机会，可以扩大我们对太空飞行过程中培养的微生物的独特微生物反应的理解。ISS 研究平台的这一方面将其与所有其他可用设施区分开，因为没有其他平台可以提供这种微重力环境。由于微生物正在适应这种新环境，因此可以收集信息，以提供对微生物调节和功能的独特见解，这些信息无法使用地球上的传统方法来辨别。国际空间站作为微生物研究平台的使用推动了可以降低人类探索太空过程中传染病风险的实验 ， 推进微生物有益目的的应用 (例如 ， 废物修复，益生菌 ），并提供对基本微生物功能和相互作用的独特见解，这些功能和相互作用可以转化为地球上的科学家和商业实体的研究。随着科学家和公司调查 ISS 微生物发现的使用，以更好地了解毒力谱，抗生素和消毒剂抗性，生物膜形成和生物降解特性，航天发现的翻译已经开始发生。随着 NASA 超越低地球轨道前往火星等行星 ， ISS 微生物研究的洞察力将影响我们的探索方法。 NASA 建议支持先进的研究 ， 重点是发现和表征微生物和微生物群落使用的基本机制 ， 以适应表 1 强调了航天环境的各种挑战。了解航天和重力如何改变微生物的反应 ， 它们的遗传物质交换以及它们的预期浓度和分布对于寻找外星行星同时保护其他行星免受微生物转移至关重要。 10表 1. ISS 微生物研究的机会主题区域航天环境变化的调查微生物生理学微生物生长概况对应激源运动的响应微生物代谢微生物生态学微生物生态学与进化的相对作用人类和植物微生物组作为 ISS 微生物组的一个子集微生物随时间与环境的相互作用微生物种群动态和演替动态封闭模型群落 （ 非环境 ） 的稳定性群落变化 / 生物地理学机制选定微生物与公报中的选择压力和世代方面环境中自然存在的微生物种群 （ 空气 ， 表面 ， 水 ）航天环境导致的已鉴定菌株的传播分子微生物学微生物基因组多样性与进化微生物传感微生物转录组、蛋白质组或代谢组微生物相互作用微生物 - 微生物相互作用宿主 - 微生物相互作用植物 - 微生物相互作用生物膜形成或功能 （ 单一物种和混合种群 ）国际空间站还为推进室内微生物生态学研究提供了前所未有的机会。它提供了一个实验平台，用于控制室内微生物多样性的两个最大贡献者 ： 通风源和占用负荷。研究表明，通风源显着影响室内微生物多样性，机械通风的房间比自然通风的房间携带更多潜在的空气传播病原体 （ Kembel 2012 ） 。它也已经证明，人类占用负荷影响空气中的微生物的丰度和多样性 （ 钱 2012 ） 。Together, these findings suggest that great knowledge would be gained by conducting experiments in a highly controlled environment like the ISS where the ventilation source and octraction load can be analysis. By sampling the builded enviromal groom and h可以区分微生物如何在人类 ， 室内空气和室内表面之间交换。 11这些发现对未来的太空飞行任务以及地面家庭和办公室都很重要。室内微生物群落可能与人类健康密切相关 （ Brge 1995，Mitchel 2007，Sriath 2008 ），包括急性呼吸道疾病的传播 （ Cohe 2000，Smith 2000，WHO 2007，Glassroth 2008 ） 和哮喘症状发生率的增加 （ Ross 2000，Eggglesto 2009，Schwartz 2009 ） 。国际空间站作为一个实验性的、复杂的、封闭的生态系统的另一个独特的好处是 ， 随着时间的推移 ， 空间站上存在的微生物群
