Sådan kontrolleres biofilm i rummet

Forskere fra MIT vil samarbejde med kolleger ved University of Colorado i Boulder om et eksperiment, der er planlagt til at blive sendt til den internationale rumstation (ISS) den 2. november. Eksperimentet leder efter måder at håndtere dannelsen af ​​biofilm på overflader inden for rumstationen. Disse svært at dræbe samfund af bakterier eller svampe kan forårsage udstyrsfejl og gøre astronauter syge. MIT News bad professor i maskinteknik Kripa Varanasi og doktorand Samantha McBride om at beskrive de planlagte eksperimenter og deres mål.

Q:Til at begynde med, fortælle os om det problem, som denne forskning sigter mod at løse.

Varanasi:Biofilm vokser på overflader i rumstationer, hvilket i starten var en overraskelse for mig. Hvorfor skulle de vokse i rummet? Men det er et problem, der kan bringe nøgleudstyret i fare - rumdragter, vandgenbrugsenheder, radiatorer, navigationsvinduer, og så videre - og kan også føre til menneskelig sygdom. Det skal derfor forstås og karakteriseres, især til langvarige rummissioner.

I nogle af de tidlige rumstationsmissioner som Mir og Skylab, der var astronauter, der var ved at blive syge i rummet. Jeg ved ikke, om vi med sikkerhed kan sige, at det skyldes disse biofilm, men vi ved, at der har været udstyrsfejl på grund af vækst af biofilm, såsom tilstoppede ventiler.

Tidligere har der været undersøgelser, der viser, at biofilmene faktisk vokser og akkumuleres mere i rummet end på Jorden, hvilket er lidt overraskende. De bliver tykkere; de har forskellige former. Målet med dette projekt er at undersøge, hvordan biofilm vokser i rummet. Hvorfor får de alle disse forskellige morfologier? I det væsentlige, det er fraværet af tyngdekraften og sandsynligvis andre drivkræfter, konvektion for eksempel.

Vi vil også tænke på afhjælpningstilgange. Hvordan kunne du løse dette problem? I vores nuværende samarbejde med Luis Zea på UC Boulder, vi ser på biofilmvækst på konstruerede substrater i nærvær og fravær af tyngdekraft. Vi laver forskellige overflader, som disse biofilm kan vokse på, og vi anvender nogle af vores teknologier udviklet i dette laboratorium, inklusive væskeimprægnerede overflader [LIS] og superhydrofobe nanoteksturerede overflader, og vi så på, hvordan biofilm vokser på dem. Vi fandt ud af, at efter et års eksperimenter, her på jorden, LIS-overfladerne klarede sig rigtig godt:Der var ingen biofilmvækst, sammenlignet med mange andre topmoderne substrater.

Q:Så hvad vil du lede efter i dette nye eksperiment, der skal flyves på ISS?

McBride:Der er tegn på, at bakterier faktisk kan øge deres virulens i rummet, og så astronauter er mere tilbøjelige til at blive syge. Dette er interessant, fordi normalt, når du tænker på bakterier, du tænker på noget, der er så lille, at tyngdekraften ikke burde spille så stor en rolle.

Professor Cynthia Collins gruppe ved RPI [Rensselaer Polytechnic Institute] lavede et tidligere eksperiment på ISS, der viste, at når du har normal tyngdekraft, bakterierne er i stand til at bevæge sig rundt og danne disse svampelignende former, versus i mikrogravitation danner mobile bakterier denne form for baldakinform af biofilm. Så dybest set, de er ikke længere så begrænsede, og de kan begynde at vokse udad i denne usædvanlige morfologi.

Vores nuværende arbejde er et samarbejde med UC Boulder og Luis Zea som hovedefterforsker. Så nu i stedet for bare at se på, hvordan bakterier reagerer på mikrogravitation versus gravitation på Jorden, vi ser også på, hvordan de vokser på forskellige konstruerede substrater. Og også, mere grundlæggende, vi kan se, hvorfor bakteriers biofilm dannes, som de gør på Jorden, bare ved at fjerne den ene variabel ved at have tyngdekraften.

Der er to forskellige eksperimenter, en med bakteriel biofilm og en med svampebiofilm. Zea og hans gruppe har dyrket disse organismer i et testmedie i nærværelse af disse overflader, og derefter karakterisere dem ved biofilmmassen, tykkelsen, morfologi, og så genekspressionen. Disse prøver vil nu blive sendt til rumstationen for at se, hvordan de vokser der.

Q:Så baseret på de tidligere tests, hvad forventer du at se, når prøverne kommer tilbage til Jorden efter to måneder?

Varanasi:Hvad vi har fundet indtil videre er, at interessant nok, en stor mængde biomasse vokser på superhydrofobe overflader, som normalt menes at være antifouling. I modsætning, på de væskeimprægnerede overflader, teknologien bag Liquiglide, der var stort set ingen vækst i biomasse. Dette gav det samme resultat som den negative kontrol, hvor der ikke var bakterier.

Vi foretog også nogle kontroltest for at bekræfte, at den olie, der bruges på de væskeimprægnerede overflader, ikke er biocid. Så vi dræber ikke bare bakterierne, de klæber faktisk bare ikke til underlaget, og de vokser ikke der.

McBride:For LIS overfladerne, vi skal se på, om der dannes biofilm på dem eller ej. Jeg tror, ​​at begge resultater ville være rigtig interessante. Hvis biofilm vokser på disse overflader i rummet, men ikke på jorden, Jeg tror, ​​det vil fortælle os noget meget interessant om disse organismers adfærd. Og selvfølgelig, hvis der ikke dannes biofilm, og overfladerne forhindrer dannelse, som de gør på jorden, så er det også fantastisk, for nu har vi en mekanisme til at forhindre biofilmdannelse på noget af udstyret i rumstationen.

Så vi ville være tilfredse med begge resultater, men hvis LIS'en præsterer lige så godt, som den gjorde på jorden, Jeg tror, ​​det vil have en enorm indflydelse på fremtidige missioner i forhold til at forhindre biofilm og ikke at få folk syge.

Grundlæggende fra et videnskabeligt synspunkt, vi ønsker at forstå væksten af ​​disse film og forstå alt det biomekaniske, biofysiske, og biokemiske mekanismer bag væksten. Ved at tilføje overflademorfologien, struktur, og andre egenskaber som de væskeimprægnerede overflader, vi kan se nye fænomener i væksten og udviklingen af ​​disse film, og måske faktisk komme med en løsning til at løse problemet.

Varanasi:Og så kan det føre til design af nyt udstyr eller endda rumdragter, der har disse funktioner. Så det er der, jeg tror, ​​vi gerne vil lære af det her og så foreslå løsninger.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.