3个问题:如何在太空中控制生物膜

麻省理工学院的研究人员将与科罗拉多大学博尔德分校的同事合作进行一项实验,该实验计划于11月2日送往国际空间站。该实验正在寻找解决空间站表面生物膜形成的方法。这些难以杀灭的细菌或真菌群落会导致设备故障,并使宇航员生病。麻省理工学院新闻请机械工程教授Kripa Varanasi和博士生Samantha McBride描述计划中的实验和他们的目标。

问:首先,请告诉我们这项研究要解决的问题。

生物膜生长在空间站的表面,这一开始让我很惊讶。它们为什么会在太空中生长?但这个问题可能会危及关键设备——宇航服、水循环装置、散热器、导航窗等等——还可能导致人类疾病。因此,需要了解和描述它,特别是对长期的空间任务。

在一些早期的空间站任务中,比如和平号和太空实验室,宇航员在太空中生病了。我不知道我们是否能确定这是由于这些生物膜,但我们知道有设备故障由于生物膜的增长,如堵塞的阀门。

过去有研究表明,生物膜实际上在太空中比在地球上生长和积累得更多,这有点令人惊讶。他们种植厚;它们有不同的形式。这个项目的目标是研究生物膜如何在太空中生长。为什么它们会有这么多不同的形态呢?从本质上说,它是由于没有重力,可能还有其他驱动力,比如对流。

我们还想考虑补救方法。你怎样解决这个问题?在我们目前与UC Boulder的Luis Zea的合作中,我们正在研究在存在和不存在重力的情况下工程基质上的生物膜生长。我们为这些生物膜制造了不同的表面让它们生长,我们应用了实验室开发的一些技术,包括液体浸渍表面[LIS]和超疏水纳米结构表面,我们研究了生物膜是如何在这些表面生长的。我们发现,经过一年的实验,在地球上,LIS的表面表现得非常好:与许多其他先进的基质相比,它没有生物膜生长。

问:那么,你希望在国际空间站上进行的这个新实验中有什么内容?

麦克布莱德:有迹象表明,细菌在太空中可能会增加它们的毒性,所以宇航员更容易生病。这很有趣,因为通常当你想到细菌的时候,你想到的是非常小的东西,重力不应该起这么大的作用。

伦斯勒理工学院的辛西娅·科林教授的团队在国际空间站做了一个先前的实验,表明在正常重力条件下,细菌能够四处移动并形成蘑菇状的形状,而在微重力条件下,可移动的细菌形成这种伞状的生物膜。所以基本上,它们不再受到约束它们可以开始以这种不寻常的形态向外生长。

我们目前的工作是与UC Boulder和Luis Zea作为首席研究员的合作。所以现在我们不仅要看细菌对地球上的微重力和重力的反应,还要看它们在不同的工程基质上是如何生长的。而且,更重要的是,我们可以看到为什么细菌生物膜的形成方式和它们在地球上的一样,仅仅是通过去掉重力的一个变量。

有两个不同的实验,一个是细菌生物膜实验,另一个是真菌生物膜实验。Zea和他的团队一直在试验培养基中培育这些生物,并在这些表面存在的情况下,通过生物膜的质量、厚度、形态和基因表达对它们进行表征。这些样本将被送往空间站,看看它们是如何在那里生长的。

问:根据之前的测试,你希望两个月后样本返回地球时看到什么?

我们目前发现的是,有趣的是,大量的生物质生长在超疏水表面,这通常被认为是防污的。相比之下,液体浸渍的表面,液化立得背后的技术,基本上没有生物量的增长。结果与阴性对照组相同,阴性对照组没有细菌。

我们也做了一些控制试验,以确定使用在液体浸渍表面的油是不具有生物活性的。所以我们不只是杀死细菌,它们实际上只是不附着在基质上,它们不在那里生长。

麦克布赖德:对于LIS表面,我们将观察它们是否形成生物膜。我认为这两个结果都很有趣。如果生物膜在太空中生长在这些表面,而不是在地面上,我认为这将告诉我们关于这些生物行为的一些非常有趣的事情。当然,如果生物膜不能形成,表面不能像在地面上那样形成,那也很好,因为现在我们有了一种机制来防止在空间站的一些设备上形成生物膜。

所以我们对任何一个结果都很满意,但是如果LIS的表现和它在地面上的表现一样好,我认为它将对未来的任务产生巨大的影响,在防止生物膜和不让人生病方面。

从根本上说,从科学的角度,我们想要了解这些薄膜的生长,并理解生长背后的所有生物力学、生物物理和生物化学机制。通过添加表面形态、纹理和其他性质,如液体浸渍表面,我们可以看到这些薄膜的生长和演变中的新现象,并可能提出解决问题的方法。

瓦拉纳西:然后就可以设计出具有这些特征的新设备甚至太空服。这就是我想要学习的地方然后提出解决方案。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2019/3-questions-how-to-control-biofilms-in-space-mit-iss-research-1101

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