Jak zapobiegać powstawaniu biofilmów w kosmosie | Wiadomości MIT

Naukowcy donoszą, że po ekspozycji w przestrzeni kosmicznej na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej nowy rodzaj obróbki powierzchni radykalnie ograniczył rozwój biofilmu. Biofilmy to warstwy porostu drobnoustrojów lub grzybów, które mogą zatykać węże lub filtry w systemach uzdatniania wody lub powodować choroby u ludzi.

W eksperymencie naukowcy zbadali różne powierzchnie poddane obróbce na różne sposoby i wystawili je na działanie bakterii tzw Pseudomonas aeruginosaJest to patogen oportunistyczny, który może powodować zakażenia u ludzi, zwłaszcza w szpitalach. Powierzchnie inkubowano na pokładzie stacji kosmicznej przez trzy dni, począwszy od 2019 r. Wyniki pokazują, że teksturowane powierzchnie impregnowane smarem bardzo skutecznie zapobiegały wzrostowi biofilmów podczas ich długotrwałej ekspozycji w przestrzeni kosmicznej. Wyniki opisano w a papier w dzienniku Natura mikrograwitacjiautorstwa Samanthy McBride Ph.D20 i Kripy Varanasi z Massachusetts Institute of Technology, Pameli Flores i Luisa Zea z Uniwersytetu Kolorado oraz Jonathana Galakzy z NASA Ames Research Center.

Zatory w wężach systemu odzyskiwania wody na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej były czasami tak poważne, że węże trzeba było sprowadzić na Ziemię w celu oczyszczenia i uzupełnienia. Chociaż nie wiadomo, czy biofilmy bezpośrednio przyczyniły się do chorób astronautów, biofilmy na Ziemi są powiązane z 65 procentami infekcji bakteryjnych i 80 procentami infekcji przewlekłych – twierdzą naukowcy.

Jednym ze sposobów zapobiegania powstawaniu biofilmów jest użycie powierzchni pokrytych określonymi minerałami lub tlenkami, które zabijają drobnoustroje, ale to podejście może się nie udać, gdy na powierzchni gromadzi się warstwa martwych drobnoustrojów, co umożliwia tworzenie się na niej biofilmów. Ale tak nie było w przypadku wypełnionej cieczą powierzchni, która tak dobrze spisała się w eksperymentach ISS: zamiast zabijać drobnoustroje, przede wszystkim zapobiegała ich przyleganiu do powierzchni.

Zastosowaną powierzchnię wykonano z krzemu wytrawionego w celu wytworzenia lasu nanofilarowego. Ta kolczasta powierzchnia jest następnie nasycana olejem silikonowym, który jest wciągany w tkankę i utrzymywany na miejscu dzięki działaniu kapilarnemu, pozostawiając bardzo gładką i śliską powierzchnię, która znacznie zmniejsza przyleganie drobnoustrojów i zapobiega tworzeniu się przez nie biofilmu.

Identyczne eksperymenty przeprowadzono na Ziemi i na stacji kosmicznej, aby określić zmiany powodowane przez środowisko mikrograwitacyjne orbity. Ku zaskoczeniu naukowców, wypełniona cieczą powierzchnia w przestrzeni kosmicznej lepiej niż na Ziemi zapobiegała sklejaniu się drobnoustrojów.

Na dawnych i obecnych stacjach kosmicznych, w tym na stacjach Mir, Salut 6 i Salut 7 w Związku Radzieckim, a także na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, „zaobserwowali, jak te biofilmy zagrażają różnym instrumentom lub sprzętowi, w tym skafandrom kosmicznym”, „Jednostki do recyklingu , grzejniki, urządzenia do uzdatniania wody, dlatego zrozumienie tej kwestii jest bardzo ważne” – mówi Varanasi, profesor inżynierii mechanicznej i założyciel firmy o nazwie Recycling Units. płynny poślizgktóre tworzą impregnowane cieczą powierzchnie pojemników, ułatwiające przesuwanie się ich zawartości.

Poprzednie testy w terenie wykazały, że poddane obróbce powierzchnie mogą znacznie zmniejszyć przyczepność biofilmu. Kiedy próbki pobrano ze stacji kosmicznej i przetestowano, „odkryliśmy, że powierzchnie te bardzo dobrze zapobiegają tworzeniu się biofilmów również na stacji kosmicznej” – mówi Varanasi. Według McBride jest to ważne, ponieważ poprzednie badania wykazały, że mikrograwitacja może mieć znaczący wpływ na kształt biofilmu, zachowanie przywiązania i ekspresję genów. Zatem strategie, które dobrze sprawdzają się na Ziemi w zakresie rozrzedzania biofilmu, niekoniecznie muszą mieć zastosowanie w sytuacjach mikrograwitacji.

Zespół twierdzi, że zapobieganie powstawaniu biofilmów będzie szczególnie ważne w przypadku przyszłych, długotrwałych misji, np. na Księżyc czy Marsa, gdzie nie będzie możliwości szybkiego powrotu na Ziemię skażonego sprzętu lub chorych astronautów. Jeśli dalsze badania potwierdzą jego długoterminową stabilność i skuteczne zapobieganie biofilmowi, powłoki oparte na koncepcji powierzchni poddanej obróbce płynem będą mogły zostać nałożone na różne krytyczne elementy, o których wiadomo, że są podatne na zanieczyszczenie biofilmem, takie jak węże i filtry do uzdatniania wody, lub na części mające kontakt Bliski kontakt z astronautami, takie jak rękawiczki lub powierzchnie do przygotowywania żywności.

W próbkach lądowych tworzenie się biofilmu zmniejszyło się o około 74%, podczas gdy próbki ze stacji kosmicznej wykazały spadek o około 86%, mówi Flores, który przeprowadził wiele testów na odsłoniętych próbkach z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. „Wyniki, które uzyskaliśmy, były zaskakujące” – mówi, ponieważ poprzednie testy przeprowadzone przez innych wykazały, że w kosmosie tworzenie się biofilmu jest w rzeczywistości większe niż na Ziemi. „W tych próbkach odkryliśmy coś przeciwnego” – mówi.

I chociaż w testach wykorzystano konkretny, dobrze zbadany typ bakterii Gram-ujemnych, jej zdaniem wyniki powinny dotyczyć wszystkich bakterii Gram-ujemnych i prawdopodobnie będą dotyczyć również bakterii Gram-dodatnich. Odkryli, że obszary powierzchni, na których nie nastąpił rozwój bakterii, były pokryte cienką warstwą kwasów nukleinowych, które mają niewielki ujemny ładunek elektryczny, który mógł zapobiegać sklejaniu się drobnoustrojów. Flores twierdzi, że zarówno bakterie Gram-dodatnie, jak i Gram-ujemne mają niewielki ładunek ujemny, który może wyrzucić je z tej ujemnie naładowanej powierzchni.

Varanasi twierdzi, że inne rodzaje powierzchni przeciwporostowych „mają głównie właściwości biobójcze, które zwykle działają tylko w przypadku pierwszej warstwy komórek, ponieważ po ich śmierci mogą tworzyć się osady, na których mogą rozwijać się drobnoustroje. To jest zazwyczaj jest to problem.” bardzo trudne.” Jednak w przypadku powierzchni impregnowanej cieczą, na której odsłonięta jest głównie sama ciecz, istnieje bardzo niewiele niedoskonałości lub miejsc, w których bakterie mogą znaleźć oparcie – mówi.

Chociaż materiał testowy znajduje się na stacji kosmicznej od ponad roku, faktyczne testy przeprowadzono tylko przez trzy dni, ponieważ wymagają one aktywnego udziału astronautów, których harmonogramy są zawsze napięte. Jednak jedno z zaleceń zespołu, opartych na tych wstępnych ustaleniach, jest takie, że w przyszłej misji należy przeprowadzić długoterminowe testy. W tych pierwszych testach wyniki po trzecim dniu wyglądały tak samo, jak po pierwszym i drugim dniu – mówi Flores. „Nie wiemy, jak długo będzie w stanie utrzymać tę wydajność, dlatego zdecydowanie zalecamy dłuższy okres inkubacji, a także, jeśli to możliwe, ciągłą analizę, a nie tylko punkty końcowe”.

Po raz pierwszy agencja przeprowadziła testy, w których uczestniczyli wspólnie dwa programy naukowe – biologia i nauki fizyczne – mówi Zea, która rozpoczęła projekt z NASA. „Myślę, że podkreśla to znaczenie interdyscyplinarności, ponieważ musimy być w stanie połączyć te różne dyscypliny, aby znaleźć rozwiązania problemów w świecie rzeczywistym”.

Biofilmy stanowią również ważny problem medyczny na Ziemi, szczególnie na urządzeniach medycznych czy implantach, w tym cewnikach, gdzie mogą prowadzić do poważnych problemów zdrowotnych. Varanasi twierdzi, że ten sam typ powierzchni nasyconej płynem może również odegrać rolę w rozwiązaniu tych problemów.

Projekt był wspierany przez NASA i korzystał z obiektów dostarczonych przez wiele innych firm i organizacji.