Szegedi Tudományegyetem: mesterhármas az űrexpedíciós kutatásban 

Kapu Tibor egyik kutatási témája az emberi testben élő mikroorganizmusok, főként a baktériumok, gombák, vírusok és egyéb mikrobák – azaz a mikrobiom – szerepe szervezetünk működésében. Ezt az elmúlt évek egyik legdinamikusabban fejlődő tudományos területének tartják. Ezért került be a kutatási programba?

A hosszú távú űrutazások idején különös jelentősége van annak, hogyan változik az űrhajósok szervezetében a mikrobiom összetétele és működése. A téma korábban is foglalkoztatta az űrkutatásban dolgozó orvosbiológusokat, de a szekvenálási technológiák fejlődése és költségeinek csökkenése lehetővé tette számunkra egy olyan, saját fejlesztésű, több szempontot integráló vizsgálati módszer kidolgozását, amely az űrutazás hatásainak részletesebb feltérképezésére alkalmas. Kutatásunk abból az alapfeltevésből indul ki, hogy az űrutazással járó extrém környezeti tényezők – így a mikrogravitáció, a fokozott pszichés és fizikai stressz, a kozmikus sugárzás, valamint a táplálkozás – jelentős hatást gyakorolhatnak a szervezet mikrobaközösségeire is.

Ezek a változások mennyiben tudják befolyásolni a kutatók űrbeli életét?

A bennünk élő mikrobiom-közösség szoros kölcsönhatásban áll az emberi szervezettel, és számos élettani folyamatunkra hatással van. Befolyásolja az immunrendszer működését, az idegrendszer állapotát, a stressz-szintet, a hormonháztartást – sőt, még az étvágyat, a táplálkozási preferenciákat, valamint a kognitív és a mentális egészséget is. A mikrobiom hatása tehát rendkívül összetett és szerteágazó. Kevesen tudják, hogy a mikrobák szinte minden testfelületünkön jelen vannak, de legnagyobb tömegben a bélrendszerben fordulnak elő. A bél-mikrobiom akár másfél kilogrammot is nyomhat, sokan önálló szervként emlegetik. A bennünk élő mikroorganizmusok összes génjét metagenomnak nevezzük. Bár az emberi sejtek és a bennünk élő baktériumok száma nagyjából megegyező, a mikrobák génjeinek száma nagyságrendekkel több, mint az emberi géneké.

A néhány napos űrutazás hogyan segítheti majd az önök kutatásait?

Vizsgálataink középpontjában az űrhajós bél-mikrobiomjának változásai állnak, de emellett mintát gyűjtünk majd a szájüregből és a vizeletből is, hogy feltérképezhessük a különböző mikrobiom-területek közötti összefüggéseket. Arra vagyunk kíváncsiak, hogy ezek a mikrobaközösségek milyen mértékű és irányú változáson mennek keresztül az űrutazás közben, és hogy ezek a változások mennyiben korrelálnak egymással, illetve az űrhajós szervezetének egyéb fiziológiai paramétereivel, például a pulzussal és az alvásritmussal. A kutatás egyik újdonsága, hogy nemcsak DNS-alapú, hanem RNS-alapú elemzéseket is végzünk. Így nem csupán azt tudjuk meg, hogy milyen mikrobafajok vannak jelen, hanem azt is, hogy ezek a mikrobák – illetve az őket fertőző bakteriofágok – milyen biológiai aktivitást mutatnak a különböző időpontokban.

Mi a további tudományos újdonsága a projektnek?

Egyrészt nemcsak a baktériumokat vizsgáljuk, hanem a vírusokat is. A mikrobiom jelentős részét ugyanis vírusok alkotják, és a szervezetünkben nagyságrendekkel több vírus található, mint baktérium. Ezek többsége bakteriofág, amelyek baktériumokat fertőznek meg, ezáltal szabályozzák azok mennyiségét és aktivitását. Ennek a vírusközösségnek, azaz a viromnak a vizsgálata eddig gyakorlatilag teljesen hiányzott az űrkutatásból, noha a terület általánosságban is jelentősen alulkutatott. Másrészt, a projekt nemcsak rövid DNS-szekvenciák vizsgálatára szorítkozik, megmutatja, hogy egy adott DNS- vagy RNS-molekula milyen sorrendben tartalmazza a nukleotidokat, hanem teljes genomszekvenálást is végzünk, a mikrobák pontosabb taxonómiai azonosítása érdekében. Ez azt jelenti, ha például egy mintában találunk egy ismeretlen baktériumot, akkor ezzel a módszerrel határozzuk meg, hogy milyen élőlényről van szó, és melyik fajba vagy csoportba tartozik. A hagyományos, második generációs szekvenálás helyett elsősorban a korszerűbb, harmadik generációs technológiákat alkalmazzuk, amelyek hosszabb olvasat hosszúságukkal új lehetőségeket nyitnak a mikrobiális közösségek vizsgálatában. Végül, a vizelet mikrobiom – az úgynevezett urobiom – vizsgálata önmagában is újszerű megközelítést jelent az űrkutatásban.

Még korábban senkinek nem jutott eszébe ezeknek a technikáknak az alkalmazása?

Valószínűleg sok kutatóban felmerült már a mikrobiom mélyebb, összetettebb vizsgálatának gondolata az űrkutatásban, de ezek a mérések technikailag rendkívül bonyolultak, és egészen a közelmúltig nem is álltak hozzáférhető áron rendelkezésre. Fontos kiemelni, hogy a harmadik generációs szekvenálás területén a mi szegedi kutatócsoportunk úttörő szerepet játszott: Magyarországon elsőként, virológiai alkalmazásban pedig világszinten is az elsők között használtuk ezt a technológiát. Ennek köszönhetően, ma is jelentős technikai előnnyel rendelkezünk számos nemzetközi kutatócsoporttal szemben. A másik kihívás az RNS-ek vizsgálata, ami sok kutató számára még mindig nehézséget jelent. Az RNS molekulák rendkívül érzékenyek, ezért sokan inkább a stabilabb DNS-sel, vagy fehérjealapú megközelítésekkel dolgoznak. Nálunk azonban a sejtekben vagy szövetekben keletkező RNS-molekulák teljes készletét vizsgáló kutatások már majdnem két évtizede a csoport érdeklődésének központjában állnak, így nagy tapasztalattal rendelkezünk ezen a téren is. A virom – vagyis a szervezetben élő vírusok közössége – szintén szinte teljesen kimarad a legtöbb mikrobiom-vizsgálatból. Ennek oka, hogy a legtöbb tanulmány rövid, célzott DNS-szekvenálási módszerrel dolgozik, amely nem alkalmas a vírusok kimutatására. Mi ezzel szemben, teljes genomszekvenálást végzünk, és saját módszert dolgoztunk ki a virom izolálására, amely lehetővé teszi a vírusok célzott és részletes vizsgálatát is.

Ehhez speciális műszereket is kellett tervezni?

A szekvenátorok valóban speciális műszerek, de a technológiák már Magyarországon is több laboratóriumban elérhetők. Kifejezetten virológiai kutatások céljára, világszinten elsőként a mi laboratóriumunk kezdte alkalmazni a harmadik generációs módszereket, amelyek közül az oxfordiak által fejlesztett MinION készüléket a NASA is hitelesítette űrbéli használatra. Már a pályázat beadásakor is az volt a célunk, hogy a minták kiértékelését a Földön, a saját laborunkban, ezzel a módszerrel végezzük el – olyan környezetben, ahol minden szükséges háttér-infrastruktúra biztosított.

Az űrhajósok mintegy 60 kísérletet végeznek az űrben, ebből három a szegedi kutatók ötlete. Melyik a másik kettő?

Az egyik kísérleti téma szintén az SZTE Szent-Györgyi Albert Orvostudományi Karáról érkezett. A kutatás célja az asszociatív tanulási folyamatok és az emberi orientációs képesség vizsgálata súlytalanságban. A kísérlethez három, kifejezetten iPad-re fejlesztett tanulási tesztet használnak, amelyeket az SZTE Élettani Intézetében dolgoztak ki. A vizsgálat segíthet jobban megérteni az agyműködés környezeti érzékenységét, és hozzájárulhat a jövőbeli űrhajósok kiképzési stratégiáinak fejlesztéséhez is. A másik kísérlet az SZTE Természettudományi és Informatikai Kar Biokémiai és Molekuláris Biológiai Tanszékéhez kötődik. Ebben a projektben a genetikai kutatások egyik legismertebb modellszervezeteit a Drosophila melanogaster egyedeket – vagyis muslicákat – küldenek a világűrbe. A kísérleti állatok sejtjeiben olyan DNS-hibajavító enzimeket termeltetnek túl, amelyek természetes formában az emberi szervezetben is jelen vannak. A kutatók azt vizsgálják, hogy a világűrben tapasztalható fokozott sugárzás által okozott genetikai károsodás ellensúlyozható-e ezeknek a gének mesterséges aktiválásával. A cél, hogy kiderüljön: a hibajavító enzimek megnövelt mennyisége képes-e csökkenteni vagy akár megelőzni, a kozmikus sugárzás képes-e genetikai mutációt okozni, vagyis megváltoztatni a sejtek DNS-ét.