火星任务相关电离辐射剂量率暴露下产微量营养素微生物的分子图谱

《iScience》：Molecular profile of micronutrient-producing microorganisms following Martian mission-relevant ionizing radiation dose rate exposure

　　

本研究评估了三种可食用极端耐受微生物——Debaryomyces hansenii DSM 3428、Bacillus subtilis DSM 10和Limosilactobacillus reuteri DSM 20016——在火星任务相关电离辐射剂量率下的辐射耐受性、生物量生产、维生素生物合成及全蛋白质组响应。培养物暴露于火星巡航和火星表面的伽马电离辐射剂量率，使用60Co源的γ射线。分析了受照培养物的生物量产量和核黄素含量。对具有良好注释参考基因组和蛋白质组的细菌B. subtilis和L. reuteri进行了蛋白质组学分析。此外，还测试了辐照后的再生长特性。D. hansenii和B. subtilis在慢性暴露期间，其辐照后生长速率、生物量产量或核黄素合成均未表现出显著损伤，并且辐照后再生长正常，与未暴露培养物相似。相比之下，L. reuteri表现出更高的辐射敏感性，受照培养物生物量产量降低，且辐照后生长曲线发生改变。

论文解读文章

一、研究背景与科学问题

建立可持续的人类火星栖息地需要能够提供食物生产、空气和水净化、废物转化等基本功能的生物系统，同时这些系统必须能够承受火星恶劣的环境压力。微生物因其占地面积小、高密度快速生长以及代谢多样性，包括产生维生素、抗氧化剂和其他人体健康必需的生物分子，而成为此类生物再生生命支持系统（BLSS）的核心。尽管在短期任务中预制的维生素补充剂仍是宇航员营养的重要组成部分，但已有报道指出多种微量营养素在长期太空储存条件下会降解。因此，原位微生物生产正被探索作为一种补充策略，以维持营养质量并减少对地球补给的依赖。

然而，太空和火星上的若干环境限制可能影响微生物的性能，其中电离辐射是最显著的挑战之一。火星表面稀薄的大气层和缺乏全球磁场使生物体暴露于主要由银河宇宙射线（GCRs）、太阳高能粒子（SEPs）以及风化层内产生的次级粒子构成的本底辐射通量中。从地球到火星的旅途中的剂量率（约20 μGy h^-1或~77 μSv h^-1）以及火星表面的剂量率（约9 μGy h^-1或~27 μSv h^-1）比地球表面高出100倍。这种慢性辐射虽然相对于传统放射生物学研究的剂量率较低，但代表了一种持续的环境压力，可能影响微生物生理、DNA稳定性、氧化应激反应以及用于生命支持系统的微生物培养物的长期生存能力和生产力。然而，在真实的慢性低剂量率条件下的微生物反应仍然知之甚少，因为大多数辐射研究依赖于在显著更高剂量和剂量率下的急性暴露。尽管人们对用于太空探索的微生物生物制造的兴趣日益增加，但在类似火星的慢性辐照条件下微生物性能的实验数据仍然稀缺，特别是对于用于食品生物技术或维生素生物合成的物种。因此，了解食品微生物能否在这些辐照条件下维持功能性，对于设计能够在长期太空飞行和火星表面可靠培养的微生物营养补充剂至关重要。

二、研究概述与主要结论

为解决上述问题，研究人员选择了三种已被欧洲食品安全局（EFSA）列入安全资格认定和新型食品清单，并在太空飞行测试、微重力实验或辐射研究中受到关注的微生物菌株：耐渗酵母 Debaryomyces hansenii DSM 3428（已知可产生麦角固醇和B族维生素）、耐盐产孢细菌 Bacillus subtilis DSM 10（能够生物合成核黄素即维生素B₂）以及嗜酸乳酸菌 Limosilactobacillus reuteri DSM 20016（一种肠道相关物种，能合成B族维生素）。研究人员将这些菌株暴露于模拟的火星巡航（64 μGy h^-1）和火星表面（22 μGy h^-1）伽马射线剂量率下，为期七天，评估了其生长性能、维生素产量、辐照后再生长，并对两种细菌进行了蛋白质组学分析。

研究得出的核心结论是：D. hansenii和B. subtilis对模拟火星相关的慢性伽马辐照表现出高度韧性，其生物量产量、核黄素合成及辐照后再生长能力均未受显著影响，表明它们是稳定的空间应用微生物平台。相比之下，L. reuteri显示出更高的辐射敏感性，表现为辐照后生物量降低和延长的延迟期，但其核黄素生产能力得以保持。蛋白质组学分析揭示了两者不同的应激响应策略：B. subtilis主要通过上调芽孢形成相关蛋白和下调核心代谢及修复功能，转向保护性生存模式；而L. reuteri则启动了更广泛的响应，涉及DNA损伤修复、细胞包膜重塑和资源重新分配，以维持细胞功能。这项研究的意义在于，它为在真实火星辐射环境下选择和应用微生物进行原位营养生产提供了关键的实验依据，强调了系统性评估微生物辐射耐受性的重要性。

三、关键技术方法

1. 1.
   辐射暴露设置：在比利时核研究中心的两个伽马辐照设施中进行，使用⁶⁰Co源发射γ射线。将三种微生物的点种平板分别暴露于模拟火星表面（22 μGy h^-1）和火星巡航（64 μGy h^-1）的剂量率下，连续辐照7天。非辐照对照组在相同环境条件下培养。
2. 2.
   表型分析：通过光密度（OD₆₀₀）测量、干重（DW）测定和流式细胞术评估生物量产量。采用荧光微孔板法量化细胞内核黄素含量。利用96孔板在各自最适温度下监测辐照后的生长动力学，并通过Gompertz模型拟合生长曲线以获得最大比生长速率（μ）、延迟期（λ）和最大生物量（A）。
3. 3.
   蛋白质组学分析：对B. subtilis和L. reuteri的辐照后细胞进行蛋白提取、酶解，然后使用纳升液相色谱串联质谱（nanoLC-MS/MS）进行分析。原始质谱数据经MaxQuant软件处理，利用Andromeda搜索引擎与各自的UniProt数据库进行比对鉴定蛋白质。使用LIMMA R包进行差异表达蛋白分析，筛选标准为p值<0.05且倍数变化>1.5或<0.66。利用STRING数据库对差异蛋白进行相互作用网络分析和聚类，并使用京都基因与基因组百科全书（KEGG）数据库进行通路富集分析。

四、研究结果

Debaryomyces hansenii DSM 3428在慢性辐射暴露下的生物量产量、维生素含量及辐照后再生长

慢性暴露于22 μGy h^-1和64 μGy h^-1的⁶⁰Co伽马辐射7天，并未影响D. hansenii DSM 3428的最终生物量产量。基于流式细胞术的细胞计数、归一化至干重的光密度测量以及核黄素含量，在慢性辐照培养物与非辐照对照样品之间均无统计学显著差异。此外，D. hansenii DSM 3428在液体培养基中50小时内的辐照后生长表现也与非辐照培养物相似，在生长速率（μ）、延迟期（λ）或最大生物量（A）方面均未观察到统计学显著差异。

Bacillus subtilis DSM 10在慢性辐射暴露下的生物量产量、维生素含量及辐照后再生长

同样，B. subtilis DSM 10的最终生物量产量也未受慢性辐照影响。细胞计数、光密度和核黄素测量均显示无显著差异。B. subtilis DSM 10的辐照后生长参数也无统计学显著变化，表明慢性低剂量伽马辐照未损害该物种的生长潜力。

Bacillus subtilis DSM 10在辐射暴露下产生生物量的蛋白质组学特征

在蛋白质组水平上，B. subtilis DSM 10在所有辐射剂量率条件下均表现出稳定的全局表达谱。共鉴定和定量了1358种蛋白质。在64 μGy h^-1条件下，有104种差异丰度蛋白；在22 μGy h^-1条件下，有41种。差异蛋白占总鉴定蛋白质组的比例低于1%，表明慢性伽马暴露仅诱导了有限的蛋白质组变化。STRING聚类分析显示，在较高剂量率下，辐照样品中芽孢外壳蛋白和锰过氧化氢酶丰度升高，与芽孢形成过程相关；同时，前噬菌体相关蛋白上调。丰度降低的蛋白簇包括氨基酸和辅因子代谢、趋化性和运动性、铁稳态和DNA修复相关蛋白。这提示了从活跃生长和修复向保护性、包膜中心和芽孢形成驱动的生存策略的转变。在较低剂量率下，变化更为微妙，主要涉及代谢和核糖体蛋白。重要的是，核黄素生物合成途径中的蛋白均未发现显著差异丰度。

Limosilactobacillus reuteri DSM 20016在慢性辐射暴露下的生物量产量、维生素含量及辐照后再生长

与D. hansenii和B. subtilis相反，L. reuteri DSM 20016对慢性伽马辐照表现出明显的剂量依赖性响应。两种剂量率条件均导致干重、流式细胞术检测的细胞浓度和归一化光密度的降低。然而，核黄素产量与干重成比例，表明辐照下细胞内含量无显著变化。辐照后生长测定显示，两个辐照组的延迟期（λ）显著延长，但来自22 μGy h^-1辐照组的最大生物量显著高于非辐照对照。

L. reuteri DSM 20016在辐射暴露下产生生物量的蛋白质组学特征

在蛋白质组水平上，共鉴定了920种蛋白质。在22 μGy h^-1条件下有38种差异蛋白，在64 μGy h^-1条件下有234种，分别占检测蛋白质组的约2%和13%。这表明L. reuteri对低剂量率电离辐射的蛋白质组响应比B. subtilis更广泛。STRING聚类分析显示，在较高剂量率下，L. reuteri的响应与DNA损伤感知和修复途径（包括SOS响应相关蛋白）相关，同时翻译和核糖体相关蛋白以及核苷酸生物合成途径丰度增加。与此同时，碳代谢、辅因子生物合成、脂质代谢和氨基酸转运等多种代谢途径的蛋白丰度普遍降低。这表明细胞在辐照下将资源重新分配给应激响应和维护功能，代价是中心代谢过程。在较低剂量率下，蛋白质组响应不那么明显，涉及的蛋白较少，协调性也较差。核黄素和钴胺素生物合成途径的蛋白覆盖有限，但生化测量证实了辐照下核黄素生产的持续性。

五、讨论与结论总结

研究人员在讨论中指出，D. hansenii和B. subtilis对慢性低剂量率伽马辐照表现出高度韧性，其生长和代谢功能稳定，B. subtilis的蛋白质组变化极小。它们的稳健性支持将其作为BLSS潜在组分的进一步研究。相比之下，L. reuteri在生长方面对辐射更敏感，但仍保持活力和代谢活性。这些物种特异性差异强调了在为太空生命支持选择微生物候选物时进行系统性辐射耐受性评估的重要性。尽管本研究中测得的细胞内核黄素浓度相对较低，不代表优化后的产量，但目标是评估慢性辐射暴露后核黄素生物合成能力是否得以维持。先前的研究已证明，通过优化培养条件可以显著提高核黄素产量，这支持了微生物系统作为未来BLSS中微量营养素补充来源的潜力。

研究结论：研究结果表明，所有三种菌株的维生素生物合成和细胞内核黄素水平保持稳定，表明在慢性低剂量伽马辐照下这种代谢能力得以保存。D. hansenii和B. subtilis在潜在的太空生物加工应用中表现出更高的韧性，展现出稳定的生长和持续的功能代谢，并且在B. subtilis中，测试条件下的蛋白质组改变最小。它们的稳健性支持进一步研究这些微生物作为BLSS的潜在组分。相比之下，L. reuteri在生长方面表现出更高的辐射敏感性，但在辐照下仍保持活力和代谢活性。这些物种特异性差异强调了在选择用于太空生命支持的微生物候选物时进行系统性辐射耐受性评估的重要性。