天上一日地上十年 “偷渡”到太空的微生物有多強

伴隨載人航天的發(fā)展，為解決航天活動中的微生物感染問題，空間微生物學逐漸興起。如何利用太空資源展開微生物研究，服務人類，成為空間微生物學研究的主要內(nèi)容。盡管不是首個發(fā)展載人航天的國家，但我國比較系統(tǒng)地研究了空間生物學，并最先開辟了空間微生物學這一新領域。

許多人好奇，空間微生物是什么？人類如何利用它們？空間微生物學發(fā)展至今取得哪些基礎研究成果？在近日舉行的第三屆空間微生物學與感染學術大會暨轉化應用戰(zhàn)略研討會上，空間微生物學開拓者和奠基人、解放軍總醫(yī)院主任醫(yī)師劉長庭教授表示，空間微生物基礎研究，主要涉及空間微生物發(fā)展現(xiàn)狀，空間環(huán)境對病原菌毒力、耐藥及代謝的影響，對腐蝕微生物表觀遺傳學改變的作用，以及微生物安全性研究等。

空間環(huán)境　 加速微生物變異

微生物作為地球上進化歷史最長、生物量最大、生物多樣性最豐富的生命形式，影響著人類健康乃至地球生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，蘊藏著極為豐富的資源。

研究證實，在航天活動中，地球上的微生物不可避免隨人體或設備進入太空。空間環(huán)境可以加速微生物變異，所謂“天上一日，地上十年”，原因在于空間環(huán)境具有微重力、輻射、高真空、弱磁場以及極度溫差等特點，會加速微生物變異。

中國研究型醫(yī)院學會空間微生物學與感染專業(yè)委員會秘書長兼青年委員會主任委員、解放軍總醫(yī)院第三醫(yī)學中心副主任醫(yī)師常德在會上介紹，目前空間微生物研究主要包括三種類別，一是病原微生物，包括航天員太空感染防控、地面難治性感染的防治；二是腐蝕微生物，包括空間站設備的防腐研究、新型抗菌材料的研制；三是工業(yè)微生物，包括空間微生物制藥產(chǎn)業(yè)、空間工業(yè)微生物的誘變育種。

目前為止，劉長庭團隊對空間生物醫(yī)學的研究已經(jīng)歷三個階段，第一階段是空間環(huán)境對人體呼吸系統(tǒng)的生理學效應及機制，第二階段是空間環(huán)境對微生物的作用和機制，包括致病性、耐藥性和腐蝕性。第三階段涵蓋面最廣，也是我國目前所處階段，主要包括航天員健康、航天設備安全、空間微生物制藥、空間微生物工業(yè)應用、空間微生物數(shù)據(jù)、空間微生物搭載、空間微生物學轉化等。

病原微生物　 威脅航天員健康

國際空間站的航天員們曾多次發(fā)生呼吸道、皮膚、結膜等多處感染，且在軌時間越長，感染幾率越大。

劉長庭告訴科技日報記者，空間環(huán)境條件下，機體免疫力下降，同時病原菌毒力增強，一旦航天員發(fā)生感染，治療措施有限，處理難度加大。

高致病性、多重耐藥性病原菌感染在臨床極為常見，易于交叉感染，治療難度大。相關研究揭示，病原菌致病和耐藥機制、探索新靶標，是感染性疾病臨床救治和防控的關鍵。

空間環(huán)境加速病原菌變異，為研究病原菌提供了一個獨特的前瞻性研究手段。劉長庭透露：“我們已經(jīng)獲得了太空環(huán)境誘導下性狀發(fā)生改變的微生物，有利于保障地面難治性感染的前瞻性研究和防控航天員感染；還獲得了毒力和耐藥性相關的重要基因、蛋白和非編碼RNA序列，為地面難治性感染和航天員感染的防治提供了靶標。”

腐蝕微生物　 縮短航天器壽命

載人航天器密閉環(huán)境容易滋生細菌和真菌。“和平”號運行十余年檢測到234種微生物，它們在電路板、儀表盤和宇航服形成生物膜，微生物生長繁殖和代謝會腐蝕這些材料，嚴重威脅空間站長期在軌運行安全，縮短空間站服役時間。

根據(jù)微生物產(chǎn)生、傳播和腐蝕作用，結合長期空間環(huán)境下微生物腐蝕材料的影響因素、作用機理和抗菌材料性能評價，劉長庭介紹到：“目前已經(jīng)確定了微生物源控制、艙內(nèi)環(huán)境流動相控制和結構表面固定相控制三個模式，并構建了航天器微生物綜合控制技術總體方案。”

微生物源控制方面，劉長庭團隊已經(jīng)掌握了抗菌清潔用品、糞便消毒處理、高效水凈化、廢棄物真空密封保存技術。艙內(nèi)環(huán)境流動相控制方面，也已經(jīng)取得氧氣或二氧化碳分子篩過濾安全調(diào)配技術、揮發(fā)性有機物光催化分解技術、循環(huán)過濾除塵除臭滅菌系統(tǒng)等相關成果。結構表面固定相控制方面，研制了包括納米抗菌絕緣高分子復合材料、金屬表面長效抗菌涂層、艙壁高效洗滌劑。

該團隊研制的某材料已通過多家權威機構的檢測認證，2小時殺菌率達99.9%，且具有除異味、耐腐蝕、高效穩(wěn)定、使用壽命長等特點，可廣泛應用于航天、航空、航海、家電、汽車、建筑、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工等諸多領域。

工程微生物　 空間育種服務人類

劉長庭團隊系統(tǒng)建立了生物樣品的飛船搭載系統(tǒng)，對我國將來空間搭載和太空生命科學研究具有重大意義。

神舟十號載人飛船搭載的部分乳桿菌經(jīng)空間誘變后產(chǎn)酸速率加快，苯乳酸和4-羥基苯乳酸產(chǎn)量、總抗氧化能力以及胃腸道逆環(huán)境耐受能力都有所提高，基于該菌株已轉化出復合益生菌-太空菌ST20；羅伊氏乳桿菌，其益生菌活菌產(chǎn)量大大提升，成品酸奶凝乳結實、口感細膩柔滑。

益生乳酸菌及其代謝產(chǎn)物好處很多，一方面能夠維持人體微生態(tài)平衡，比如抗炎、抗氧化、抑制黑色素生成，另一方面還能產(chǎn)生透明質(zhì)酸，起到抗氧化、補水、保濕作用。

“利用太空資源服務于人類健康是當前的重要課題。”劉長庭說，未來空間微生物的主要科研方向包括“微生物的空間誘變育種，以及建立包括空間微生物數(shù)據(jù)平臺、空間微生物制藥平臺、空間微生物工業(yè)應用平臺、空間微生物搭載平臺在內(nèi)的空間微生物轉化應用中心。”

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空間微生物分子效應學說

中國載人航天辦公室1992年成立，1997年，作為首批參加空間生物醫(yī)學研究的團隊，劉長庭課題組完成了神舟8、9、10、11號飛船及天宮二號空間實驗室微生物搭載任務，進行眾多開拓性研究后取得許多系統(tǒng)性和原創(chuàng)性成果，創(chuàng)立空間微生物學學科。

劉長庭作為該領域?qū)W界領軍人物，2017年應世界著名雜志《環(huán)境微生物學》邀請撰寫空間微生物學綜述，在世界上首次提出空間微生物分子效應學說，產(chǎn)生廣泛影響。

空間微生物分子效應學說的基本觀點是，空間環(huán)境影響微生物基因性質(zhì)和分子結構，進而產(chǎn)生表型的改變。在此學說下提出三個理論，即空間微生物毒力突變與人體互利共生理論；空間微生物突變與代謝相關空間制藥理論；空間微生物腐蝕與洗消材料技術理論。并相應提出三個應用方向，即保障航天員與人類健康、感染性疾病治療；藥物、功能性食品及保健性食品等研發(fā)；以及延長航天器在軌運行時間等。