Onderzoekers van MIT zullen samenwerken met collega's van de Universiteit van Colorado in Boulder aan een experiment dat gepland staat om op 2 november naar het International Space Station (ISS) te worden gestuurd. Het experiment zoekt naar manieren om de vorming van biofilms op oppervlakken binnenin aan te pakken. het ruimtestation. Deze moeilijk te doden gemeenschappen van bacteriën of schimmels kunnen storingen in apparatuur veroorzaken en astronauten ziek maken. MIT News vroeg professor werktuigbouwkunde Kripa Varanasi en promovendus Samantha McBride om de geplande experimenten en hun doelen te beschrijven.

V:Om te beginnen, vertel ons over het probleem dat dit onderzoek wil aanpakken.

Varanasi:Biofilms groeien op oppervlakken in ruimtestations, wat in eerste instantie een verrassing voor me was. Waarom zouden ze in de ruimte groeien? Maar het is een probleem dat de belangrijkste uitrusting in gevaar kan brengen:ruimtepakken, water recyclingseenheden, radiatoren, navigatievensters, enzovoort - en kan ook leiden tot ziekten bij de mens. Het moet daarom worden begrepen en gekarakteriseerd, vooral voor langdurige ruimtemissies.

In sommige van de vroege ruimtestationmissies zoals Mir en Skylab, er waren astronauten die ziek werden in de ruimte. Ik weet niet of we met zekerheid kunnen zeggen dat het door deze biofilms komt, maar we weten wel dat er apparatuurstoringen zijn geweest als gevolg van biofilmgroei, zoals verstopte kleppen.

In het verleden zijn er studies geweest die aantonen dat de biofilms daadwerkelijk groeien en zich meer ophopen in de ruimte dan op aarde, wat best verrassend is. Ze worden dikker; ze hebben verschillende vormen. Het doel van dit project is om te bestuderen hoe biofilms in de ruimte groeien. Waarom krijgen ze al deze verschillende morfologieën? Eigenlijk, het is de afwezigheid van zwaartekracht en waarschijnlijk andere drijvende krachten, convectie bijvoorbeeld.

We willen ook nadenken over saneringsaanpak. Hoe zou je dit probleem kunnen oplossen? In onze huidige samenwerking met Luis Zea bij UC Boulder, we kijken naar biofilmgroei op gemanipuleerde substraten in aanwezigheid en afwezigheid van zwaartekracht. We maken verschillende oppervlakken waarop deze biofilms kunnen groeien, en we passen een aantal van onze technologieën toe die in dit lab zijn ontwikkeld, inclusief met vloeistof geïmpregneerde oppervlakken [LIS] en superhydrofobe nanogestructureerde oppervlakken, en we keken hoe er biofilms op groeien. We ontdekten dat na een jaar lang experimenteren, hier op aarde, de LIS-oppervlakken deden het echt goed:er was geen biofilmgroei, vergeleken met veel andere geavanceerde substraten.

Vraag:Dus waar ga je naar op zoek in dit nieuwe experiment om op het ISS te vliegen?

McBride:Er zijn tekenen die erop wijzen dat bacteriën hun virulentie in de ruimte zouden kunnen vergroten, en dus hebben astronauten meer kans om ziek te worden. Dit is interessant, want als je aan bacteriën denkt, je denkt aan iets dat zo klein is dat de zwaartekracht niet zo'n grote rol zou moeten spelen.

De groep van professor Cynthia Collin bij RPI [Rensselaer Polytechnic Institute] deed een eerder experiment op het ISS en toonde aan dat wanneer je normale zwaartekracht hebt, de bacteriën kunnen bewegen en deze paddestoelachtige vormen vormen, versus in microzwaartekracht vormen mobiele bacteriën dit soort bladerdakvorm van biofilm. Dus eigenlijk, ze zijn niet meer zo beperkt en ze kunnen naar buiten beginnen te groeien in deze ongewone morfologie.

Ons huidige werk is een samenwerking met UC Boulder en Luis Zea als hoofdonderzoeker. Dus in plaats van alleen te kijken naar hoe bacteriën reageren op microzwaartekracht versus zwaartekracht op aarde, we kijken ook hoe ze groeien op verschillende gemanipuleerde substraten. En ook, meer fundamenteel, we kunnen zien waarom biofilms van bacteriën zich vormen zoals ze dat op aarde doen, gewoon door die ene variabele van het hebben van de zwaartekracht weg te nemen.

Er zijn twee verschillende experimenten, één met bacteriële biofilms en één met schimmelbiofilms. Zea en zijn groep hebben deze organismen in een testmedium gekweekt in aanwezigheid van die oppervlakken, en ze vervolgens te karakteriseren door de biofilmmassa, de dikte, morfologie, en dan de genexpressie. Deze monsters worden nu naar het ruimtestation gestuurd om te zien hoe ze daar groeien.

Vraag:Dus op basis van de eerdere tests, wat verwacht je te zien als de monsters na twee maanden terug op aarde komen?

Varanasi:Wat we tot nu toe hebben gevonden, is dat, interessant, veel biomassa groeit op superhydrofobe oppervlakken, waarvan meestal wordt gedacht dat het antifouling is. In tegenstelling tot, op de met vloeistof geïmpregneerde oppervlakken, de technologie achter Liquiglide, er was in principe geen biomassagroei. Dit leverde hetzelfde resultaat op als de negatieve controle, waar geen bacteriën waren.

We hebben ook enkele controletests uitgevoerd om te bevestigen dat de olie die op de met vloeistof geïmpregneerde oppervlakken wordt gebruikt, niet biocide is. Dus we doden niet alleen de bacteriën, ze hechten eigenlijk gewoon niet aan het substraat, en ze groeien daar niet.

McBride:Voor de LIS-oppervlakken, we zullen kijken of er zich biofilms op vormen of niet. Ik denk dat beide resultaten erg interessant zouden zijn. Als biofilms op deze oppervlakken in de ruimte groeien, maar niet op de grond Ik denk dat dat ons iets heel interessants gaat vertellen over het gedrag van deze organismen. En uiteraard, als er zich geen biofilms vormen en de oppervlakken de vorming voorkomen zoals op de grond, dan is dat ook fijn, omdat we nu een mechanisme hebben om biofilmvorming op sommige apparatuur in het ruimtestation te voorkomen.

Dus we zouden blij zijn met elk resultaat, maar als de LIS net zo goed presteert als op de grond, Ik denk dat het een enorme impact zal hebben op toekomstige missies in termen van het voorkomen van biofilms en het niet ziek maken van mensen.

Fundamenteel, vanuit een wetenschappelijk oogpunt, we willen de groei van deze films begrijpen en alle biomechanische, biofysisch, en biochemische mechanismen achter de groei. Door de oppervlaktemorfologie toe te voegen, textuur, en andere eigenschappen zoals de met vloeistof geïmpregneerde oppervlakken, we kunnen nieuwe verschijnselen zien in de groei en evolutie van deze films, en misschien zelfs met een oplossing komen om het probleem op te lossen.

Varanasi:En dan kan dat leiden tot het ontwerpen van nieuwe apparatuur of zelfs ruimtepakken met deze kenmerken. Dus daar willen we denk ik van leren en dan oplossingen aandragen.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.