Teknik tilbyder vej til biofremstilling af medicin under rumflyvninger

Et instrument i øjeblikket ombord på den internationale rumstation kunne dyrke E.coli-bakterier i rummet, åbne en ny vej til bio-fremstilling af lægemidler under langsigtede rumflyvninger. Forskning offentliggjort i dag i Naturens mikrotyngdekraft brugte en jordbundet simulator af rumstationsinstrumentet til at dyrke E.coli, demonstrerer, at det kan plejes med metoder, der lover at være mere egnede til rumrejser end eksisterende alternativer.

"Hvis vi kan få mikroorganismer til at vokse godt i rummet, astronauter kan bruge dem til at fremstille lægemidler efter behov. Dette kan være afgørende for overlevelse på lange missioner, hvor genforsyning ikke er en mulighed." sagde Richard Bonocora, seniorforfatter og fakultetsmedlem i Institut for Biologiske Videnskaber ved Rensselaer Polytekniske Institut. "Her spurgte vi:'Er der en bedre måde at dyrke mikroorganismer på, end det, der i øjeblikket bliver brugt, er plads?" Og hvad vi finder er, at – med forskydningskraft – ja, der er sandsynligvis."

Med lovende resultater, holdet håber at kunne udføre et lignende eksperiment ombord på rumstationen. Og mens de starter med E.coli, molekylærbiologiens arbejdshest, holdet håber at kunne bruge instrumentet til at dyrke mikroorganismer med strålingsresistens, som kunne beskytte lægemidler under udvikling mod den evigt tilstedeværende stråling fra rummet, efterhånden som de produceres.

Bakterier som E.coli har brug for ilt for at vokse, og guldstandardmetoden til beluftning af bakterier i et flydende vækstmedium bruger en orbital shaker, en maskine, der vandret ryster en platform, hvorpå beholderne, der indeholder væsken, kan stuves. Shakeren er afhængig af tyngdekraften til at hvirvle det flydende indhold, som stiger og falder i en kolbe, at blande ilt med væsken.

Men Bonocora og hans forskerhold mener, at et instrument sendt til rumstationen i juli, 2019 kunne gøre et bedre stykke arbejde. Inspireret af forskning fra Rensselaer professor Amir Hirsa, det NASA-byggede instrument bruger forskydningskraft, kraften skabt ved grænsen af ​​to legemer, der skubber i modsatte retninger fra hinanden, svarende til det, der opstår ved brudlinjerne mellem tektoniske plader. Instrumentet bruger en sprøjte til at dispensere en dråbe væske, som danner en boble. Den ene side af boblen klæber til en stationær ring, mens den anden side klæber til en tynd ring, der kan rotere. Den roterende ring skaber forskydningskraft på overfladen af ​​boblen, hvirvler dens indhold.

Forskydningsinstrumentet bliver i øjeblikket brugt til at udføre Hirsas forsøg, der studerer virkningerne af forskydningsspænding på amyloidfibriller, klynger af proteiner, der er forbundet med neurodegenerative sygdomme som diabetes, Alzheimers, og Parkinsons.

På jorden, Bonocora brugte et viskosimeter med knivsæg, et instrument designet af Hirsas gruppe, hvor spidsen af ​​et metalrør roterer - svarende til den roterende ring i det rumbaserede instrument - ved overfladen af ​​væske i en skål for at simulere forskydningskraften. Eksperimentet testede, hvor godt bakterier voksede, når de blev beluftet af knivskæret viskosimeter og en orbital shaker, med begge instrumenter brugt ved forskellige hastigheder.

Ved højere hastigheder, bakterier udluftet af knivæggeviskosimeteret viste væksthastigheder, der nærmede sig orbitalrysterens. Selv ved lavere hastigheder producerede forskydningskraften betydeligt mere vækst end prøver af bakterier, der ikke var mekanisk beluftet.

"Dette er en levedygtig måde at dyrke mikroorganismer på. Vi begynder på en ny vej, og nu skal vi tænke på et mere virkeligt miljø, såsom på rumstationen, " sagde Bonocora.

"Rumbaseret farmaceutisk fremstilling er en kritisk komponent i vores bestræbelser på sikkert at sende mennesker dybere ind i solsystemet. Denne forskning er grundlæggende for dette mål, " sagde Curt Breneman, dekan for Videnskabsskolen. "Det succesfulde samarbejde mellem Rick og Amirs teams taler om vores langvarige bånd til rumudforskning, og er et af mange eksempler på kulturen med 'lave mure' til tværfaglig forskning, som vi er stolte af at pleje hos Rensselaer."