Auf der ISS läuft Evolution nach anderen Regeln

Dass Mikroben sich an neue Umgebungen anpassen, ist keine Überraschung. Überraschend ist eher, wie schnell und wie anders das passieren kann, wenn man ihnen die Schwerkraft wegnimmt. Genau das zeigt eine neue Studie, in der Forschende Bakterien und ihre natürlichen Feinde – sogenannte Bakteriophagen, also Viren, die Bakterien infizieren – auf der Internationalen Raumstation gegeneinander antreten ließen. Das Ergebnis: In der Mikrogravitation gerät die sonst ziemlich eingespielte „Jagd“ der Viren auf Bakterien aus dem Takt, und beide Seiten entwickeln Mutationen, die man in dieser Form auf der Erde so nicht erwartet hätte.

Im Zentrum des Experiments stand ein bekanntes Modellpaar aus der Mikrobiologie: das Bakterium Escherichia coli und der Phage T7. Dieses System ist gut untersucht, gerade weil es unter normalen Laborbedingungen relativ zuverlässig abläuft. Genau deshalb eignet es sich gut, um herauszufinden, was sich ändert, wenn man die physikalischen Rahmenbedingungen drastisch verschiebt.

Wenn sich Flüssigkeiten nicht mehr „normal“ mischen

Ein entscheidender Unterschied im All ist nicht irgendeine mystische „Weltraumwirkung“, sondern ziemlich bodenständige Physik: Ohne Schwerkraft gibt es kaum Auftrieb, kaum Konvektion, kaum dieses selbstverständliche Durchmischen von Flüssigkeiten. Auf der Erde sorgt schon ein kleiner Temperatur- oder Dichteunterschied dafür, dass sich Flüssigkeiten bewegen und Zellen sowie Viren ständig neu verteilt werden. In Mikrogravitation können solche Prozesse stark gebremst sein. Für eine Phageninfektion ist das relevant, weil Viren ihr Ziel nicht aktiv ansteuern. Sie sind darauf angewiesen, dass sie ihrem Wirt begegnen – und diese Begegnungsrate hängt davon ab, wie gut sich das Medium durchmischt.

Genau das zeigte sich im Experiment: Die Phageninfektion war in Mikrogravitation zunächst verzögert. Anders gesagt: Die Viren brauchten länger, bis sie ihre Wirte erfolgreich infizierten und sich massenhaft vermehrten. Das klingt erst mal nach „Phagen sind im All schwächer“. Doch dieser Eindruck hält nicht lange.

Verzögert heißt nicht verhindert: Dann wird es evolutionär spannend

Trotz des langsameren Starts setzten sich die Phagen schließlich durch – und dann begann das eigentliche Aha-Erlebnis. Über kurze Zeiträume von Stunden und über längere Inkubationszeiten von mehreren Wochen fanden die Forschenden deutliche Unterschiede zwischen den Proben aus der Mikrogravitation und den Kontrollproben auf der Erde. Sowohl Bakterien als auch Viren sammelten neue Mutationen an, die offenbar ihre Fitness unter den Bedingungen der Raumstation verbesserten.

Bei den Bakterien betraf das unter anderem Veränderungen, die ihre Überlebensfähigkeit in Mikrogravitation erhöhen könnten und die Abwehr gegen Phagen unterstützen. Bei den Viren wiederum zeigten sich Mutationen, die vermutlich dabei helfen, den Kontakt zum Bakterium effizienter herzustellen oder an veränderte Oberflächenstrukturen der Bakterien anzudocken. Dieses „Wettrüsten“ kennt man von der Erde – aber die Spielregeln scheinen im All so verschoben zu sein, dass andere Lösungen „gewinnen“ als unter normaler Schwerkraft.

Ein Blick auf die Mutationslandschaft: Mikrogravitation als eigener Selektionsraum

Besonders aussagekräftig ist, dass das Team systematisch untersucht hat, welche Mutationen in einem zentralen Bereich des Phagen überhaupt vorteilhaft sind: im Teil des Virus, der an den bakteriellen Rezeptor bindet. Dafür nutzten die Forschenden eine Methode, mit der sich sehr viele Mutationsvarianten parallel testen lassen. Dabei zeigte sich: Welche Mutationen „gut“ sind, hängt stark davon ab, ob das System in Mikrogravitation oder auf der Erde evolviert.

Das ist eine wichtige Einordnung, weil es die Ergebnisse aus der Ecke des Anekdotischen holt. Es geht nicht nur darum, dass „im All etwas komisch ist“, sondern darum, dass Mikrogravitation offenbar einen eigenen Selektionsraum öffnet. Evolution tastet dann andere Bereiche der biologischen „Möglichkeitslandschaft“ ab als in irdischen Experimenten. Und das kann praktisch relevant werden.

Unerwarteter Nebeneffekt: Kandidaten für Phagentherapien

Eine der spannendsten Beobachtungen aus der Studie ist, dass sich aus den in Mikrogravitation angereicherten Varianten Phagen ableiten ließen, die auf der Erde gegen bestimmte problematische E.-coli-Stämme besser wirkten als der ursprüngliche Wildtyp. Konkret ging es um uropathogene E.-coli-Varianten, die bei Harnwegsinfektionen eine Rolle spielen können und gegenüber bestimmten Angriffen widerstandsfähig sind.

Hier lohnt sich allerdings eine saubere Trennung zwischen „interessant“ und „klinisch nutzbar“. Dass ein Phage im Labor gegen einen resistenteren Bakterienstamm besser funktioniert, ist noch keine Therapie. Für reale Anwendungen bräuchte es umfangreiche Tests zu Wirksamkeit, Sicherheit, Stabilität, möglichen Immunreaktionen und zur Gefahr, dass Bakterien wiederum ausweichen. Trotzdem zeigt das Ergebnis ein prinzipielles Potenzial: Mikrogravitation könnte als ungewöhnlicher Evolutionsfilter Varianten hervorbringen, die man auf der Erde seltener oder gar nicht in dieser Form selektiert.

Was das für Raumfahrt bedeutet – und was man nicht überinterpretieren sollte

Für die bemannte Raumfahrt ist die Botschaft ambivalent. Einerseits bestätigt die Studie: Mikroorganismen passen sich im All nicht nur an, sie können das schnell und in unerwarteten Richtungen tun. Das ist relevant für Fragen rund um Hygiene, Materialbesiedlung und möglicherweise auch die Stabilität des menschlichen Mikrobioms bei langen Missionen. Andererseits wäre es unseriös, aus diesem Experiment direkt abzuleiten, dass „Viren im All gefährlicher“ werden oder dass „Superkeime auf der ISS entstehen“. Untersucht wurde ein definiertes Modellpaar unter kontrollierten Bedingungen – nicht ein komplexes Ökosystem, nicht das menschliche Mikrobiom, nicht ein klinisch relevanter Erreger im Patienten.

Was die Arbeit aber sehr plausibel macht: Wenn physikalische Rahmenbedingungen wie Durchmischung und Begegnungsraten sich ändern, ändern sich auch die evolutionären „Abkürzungen“, die Organismen nehmen. Und genau deshalb ist Mikrogravitation nicht nur ein exotisches Setting, sondern ein Werkzeug, um Biologie besser zu verstehen – manchmal sogar mit Rückkopplung auf Probleme auf der Erde.