Naukowcy podają, że po ekspozycji w przestrzeni kosmicznej na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej nowy rodzaj obróbki powierzchni znacznie 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 zwanych… Pseudomonas aeruginosaJest to patogen oportunistyczny, który może powodować zakażenia u ludzi, zwłaszcza w szpitalach. Powierzchnie inkubowano przez trzy dni na pokładzie stacji kosmicznej, począwszy od 2019 r. Wyniki pokazują, że tkane powierzchnie impregnowane smarem bardzo skutecznie zapobiegały wzrostowi biofilmu podczas długiej ekspozycji w przestrzeni kosmicznej. Wyniki opisano w: A papier W magazynie Natura mikrograwitacjinapisany przez Samantha McBride Ph.D. ’20 i Kripa Varanasi z MIT, Pamela Flores i Luis Zea z Uniwersytetu Kolorado oraz Jonathan Galacza z NASA Ames Research Center.
Zablokowania węży systemu odzyskiwania wody na pokładzie ISS były czasami tak poważne, że węże trzeba było sprowadzić na Ziemię w celu oczyszczenia i uzupełnienia. Chociaż nie wiadomo, czy biofilmy bezpośrednio przyczyniają 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 pewnymi metalami 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 wierzchu biofilmów. Ale tak nie było w przypadku wypełnionej cieczą powierzchni, która tak dobrze wypadła w eksperymentach ISS: zamiast zabijać drobnoustroje, przede wszystkim zapobiegała ich przyczepianiu się do powierzchni.
Zastosowaną powierzchnię wykonano z krzemu, który został wytrawiony w celu wytworzenia nanolasu filarów. 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 radykalnie zmniejsza przyleganie drobnoustrojów i zapobiega tworzeniu się przez nie biofilmu.
Identyczne eksperymenty przeprowadzono na Ziemi i na stacji kosmicznej, aby określić różnice wytwarzane przez środowisko mikrograwitacyjne na orbicie. Ku zaskoczeniu naukowców, wypełniona cieczą powierzchnia w przestrzeni kosmicznej lepiej radziła sobie z zapobieganiem adhezji drobnoustrojów niż na Ziemi.
Na dawnych i obecnych stacjach kosmicznych, w tym na stacjach Mir w Związku Radzieckim, Salut 6 i Salut 7, a także na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, „widzieli te biofilmy, naruszające różne instrumenty lub sprzęt, w tym skafandry kosmiczne”, Recyklerzy, grzejniki, urządzenia do uzdatniania wody, dlatego zrozumienie tej kwestii jest bardzo ważne” – mówi Varanasi, profesor inżynierii mechanicznej i założyciel firmy o nazwie Recycling Units, Radiators, and Water Treatment Facilities. Płynny poślizgktóry tworzy impregnowane cieczą powierzchnie pojemników, ułatwiające przesuwanie się ich zawartości.
Poprzednie testy na lądzie wykazały, że poddane obróbce powierzchnie mogą znacznie zmniejszyć przyczepność biofilmu. Kiedy ze stacji kosmicznej pobrano i przetestowano próbki, „odkryliśmy, że powierzchnie te bardzo dobrze zapobiegają tworzeniu się biofilmu 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 celu łagodzenia biofilmów, niekoniecznie muszą mieć zastosowanie w sytuacjach mikrograwitacji.
Zespół twierdzi, że zapobieganie powstawaniu biofilmów będzie szczególnie ważne w przypadku przyszłych długotrwałych misji, takich jak Księżyc czy Mars, 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 utwardzanej cieczą będą mogły zostać nałożone na różne ważne 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, np. rękawice lub powierzchnie do przygotowywania żywności.
W próbkach naziemnych tworzenie się biofilmu zostało zmniejszone o około 74%, podczas gdy próbki ze stacji kosmicznej wykazały redukcję 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 było w rzeczywistości większe niż na Ziemi. „W tych próbkach odkryliśmy coś przeciwnego” – mówi.
Choć w testach wykorzystano konkretny, dobrze zbadany rodzaj bakterii Gram-ujemnych, jej zdaniem wyniki powinny dotyczyć każdego rodzaju bakterii Gram-ujemnych, a prawdopodobnie także 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 przyłączaniu się drobnoustrojów. Zarówno bakterie Gram-dodatnie, jak i Gram-ujemne mają niewielki ładunek ujemny, który może odpychać je od tej ujemnie naładowanej powierzchni, mówi Flores.
Varanasi twierdzi, że inne rodzaje powierzchni przeciwporostowych „w większości działają biobójczo, co zwykle działa tylko w przypadku pierwszej warstwy komórek, ponieważ po ich śmierci mogą tworzyć się osady, na których mogą rozwijać się drobnoustroje. Zatem to zwykle jest problem.” „Bardzo trudne.” Jednak w przypadku powierzchni impregnowanej cieczą, gdzie najbardziej odsłonięta jest 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 aktywnego udziału astronautów, których harmonogramy są zawsze napięte. Jednak jedno z zaleceń sformułowanych przez zespół na podstawie tych wstępnych wyników jest takie, że w przyszłej misji należy przeprowadzić dłuższe 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”.
Zea, która rozpoczęła projekt z NASA, twierdzi, że po raz pierwszy agencja przeprowadziła testy, w których uczestniczyli wspólnie dwa programy naukowe – biologia i nauki fizyczne. „Myślę, że podkreśla to znaczenie interdyscyplinarności, ponieważ musimy być w stanie połączyć te różne dyscypliny, aby znaleźć rozwiązania problemów w świecie rzeczywistym”.
Biofilmy stanowią także ważny problem medyczny na Ziemi, szczególnie na urządzeniach medycznych czy implantach, w tym cewnikach, gdzie mogą prowadzić do poważnych problemów chorobowych. Varanasi twierdzi, że ten sam rodzaj powierzchni impregnowanych płynem może odegrać rolę w rozwiązaniu tych problemów.
Projekt był wspierany przez NASA i korzystał z obiektów dostarczonych przez kilka innych firm i organizacji.
„Analityk. Nieuleczalny nerd z bekonu. Przedsiębiorca. Oddany pisarz. Wielokrotnie nagradzany alkoholowy ninja. Subtelnie czarujący czytelnik.”
