Een instrument dat zich momenteel aan boord van het internationale ruimtestation bevindt, zou E.coli-bacteriën in de ruimte kunnen laten groeien, het openen van een nieuwe weg naar bioproductie van medicijnen tijdens lange ruimtevluchten. Onderzoek vandaag gepubliceerd in Natuur Microzwaartekracht een aardgebonden simulator van het ruimtestationinstrument gebruikt om E.coli te kweken, wat aantoont dat het kan worden gevoed met methoden die beloven geschikter te zijn voor ruimtevaart dan bestaande alternatieven.

"Als we micro-organismen goed kunnen laten groeien in de ruimte, astronauten kunnen ze gebruiken om op verzoek medicijnen te maken. Dit kan van vitaal belang zijn om te overleven op lange missies waar herbevoorrading geen optie is." zei Richard Bonocora, senior auteur en een faculteitslid bij de afdeling Biologische Wetenschappen van het Rensselaer Polytechnic Institute. "Hier vroegen we:'Is er een betere manier om micro-organismen te laten groeien dan wat momenteel wordt gebruikt, ruimte is?' En wat we vinden is dat — met schuifkracht — ja, er is waarschijnlijk."

Met veelbelovende resultaten, het team hoopt een soortgelijk experiment uit te voeren aan boord van het ruimtestation. En terwijl ze beginnen met E.coli, het werkpaard van de moleculaire biologie, het team hoopt het instrument uiteindelijk te gebruiken om micro-organismen te kweken die bestand zijn tegen straling, die geneesmiddelen in ontwikkeling zouden kunnen beschermen tegen de altijd aanwezige straling van de ruimte terwijl ze worden geproduceerd.

Bacteriën zoals E.coli hebben zuurstof nodig om te groeien, en de gouden standaardmethode voor het beluchten van bacteriën in een vloeibaar groeimedium maakt gebruik van een rondschudapparaat, een machine die horizontaal een platform schudt waarop de vaten met de vloeistof kunnen worden gestuwd. De shaker vertrouwt op de zwaartekracht om de vloeibare inhoud te laten wervelen, die rijzen en dalen in een kolf, zuurstof mengen met de vloeistof.

Maar Bonocora en zijn onderzoeksteam geloven dat een instrument in juli naar het ruimtestation is gestuurd, 2019 zou het beter kunnen doen. Geïnspireerd door het onderzoek van Rensselaer-professor Amir Hirsa, het door NASA gebouwde instrument maakt gebruik van schuifkracht, de kracht die ontstaat op de grens van twee lichamen die in tegengestelde richting van elkaar duwen, vergelijkbaar met wat zich voordoet bij de breuklijnen tussen tektonische platen. Het instrument gebruikt een injectiespuit om een ​​druppel vloeistof af te geven die een bel vormt. Een kant van de bel hangt aan een stationaire ring, terwijl de andere kant vastzit aan een dunne ring die kan draaien. De roterende ring creëert schuifkracht op het oppervlak van de bel, de inhoud ervan ronddraaien.

Het scheerinstrument wordt momenteel gebruikt om Hirsa's experimenten uit te voeren die de effecten van schuifspanning op amyloïde fibrillen bestuderen, clusters van eiwitten die verband houden met neurodegeneratieve ziekten zoals diabetes, Alzheimer, en Parkinson.

Op aarde, Bonocora gebruikte een messcherpe viscosimeter, een instrument ontworpen door Hirsa's groep, waarin de punt van een metalen buis roteert - vergelijkbaar met de roterende ring in het ruimtegebaseerde instrument - aan het oppervlak van vloeistof in een schaal om de schuifkracht te simuleren. Het experiment testte hoe goed bacteriën groeiden wanneer ze werden belucht door de messcherpe viscosimeter en een orbitale schudder, waarbij beide instrumenten met verschillende snelheden worden gebruikt.

Bij hogere snelheden, bacteriën belucht door de messcherpe viscosimeter vertoonden groeisnelheden die die van de orbitale schudder benaderden. Zelfs bij lagere snelheden produceerde de schuifkracht aanzienlijk meer groei dan monsters van bacteriën die niet mechanisch werden belucht.

"Dit is een levensvatbare manier om micro-organismen te kweken. We beginnen op een nieuw pad, en nu moeten we nadenken over een meer levensechte omgeving, zoals op het ruimtestation, ' zei Bonocora.

"In de ruimte gebaseerde farmaceutische productie is een cruciaal onderdeel van onze inspanningen om mensen veilig dieper het zonnestelsel in te sturen. Dit onderzoek is van fundamenteel belang voor dat doel, " zei Curt Breneman, decaan van de School of Science. "De succesvolle samenwerking tussen de teams van Rick en Amir spreekt tot onze langdurige banden met ruimteverkenning, en is een van de vele voorbeelden van de cultuur van 'lage muren' tot interdisciplinair onderzoek die we met trots koesteren bij Rensselaer."