Mala grupa naučnika u timu za ublažavanje biofilma u NASA-inom svemirskom centru Marshall u Hantsvilu, Alabama, proučava rešenja za borbu protiv brzorastućih kolonija bakterija ili gljivica, poznatih kao biofilm, za buduće svemirske misije.
Biofilm nastaje kada klaster bakterija ili gljivica generiše ljigavu matricu „vanćelijskih polimernih supstanci“ da bi se zaštitio od nepovoljnih faktora okoline. Biofilm se može naći skoro svuda, od sivo-zelenog ološa koji pluta stajaćom vodom jezera do ružičastog prstena taloga u prljavoj kadi.
Za industriju medicine, proizvodnje hrane i prerade otpadnih voda, biofilm je često skupo pitanje. Ali van sveta, biofilm se pokazao još otpornijim.
„Bakterije se susreću sa mnogim izazovima sa kojima se ljudi suočavaju u svemiru, uključujući mikrogravitaciju, promene pritiska, ultraljubičasto svetlo, nivoe hranljivih materija, čak i zračenje“, rekla je Jo-En Velez-Justinijano, mikrobiolog i inženjer sistema za kontrolu životne sredine u Maršalu.
„Biofilm je mršav, lepljiv — i teško ga je ubiti“, rekla je Lizel Kelner, hemijski inženjer i stažista NASA Pathvais sa Državnog univerziteta Severne Karoline u Roliju. Koellner je koristio sofisticiranu epifluorescentnu mikroskopiju, 3D vizualizacije 2D slika snimljenih u različitim fokalnim ravnima, da fino podesi studije tima.
Svjesna potencijalnih prepreka koje bi biofilm mogao predstavljati u budućim svemirskim letjelicama iz Artemisove ere i lunarnim staništima, NASA je zadužila inženjere i hemičare u Maršalu da proučavaju tehnike ublažavanja. Maršal je izgradio i održava ECLSS (sistem za kontrolu životne sredine i održavanje života) Međunarodne svemirske stanice i razvija tehnologiju za regeneraciju vazduha i vode i reciklažu nove generacije, uključujući i sklop rezervoara za otpadne vode sistema.
„Rezervoar za otpadnu vodu je ‘uzvodno’ od većine naših ugrađenih metoda za prečišćavanje vode. Pošto je rezervoar za dovod otpadne vode, bakterije i gljivice se tamo dobro razvijaju, stvarajući dovoljno biofilma da zapuše puteve i cevi duž rute“, rekao je Eric Beitle , ECLSS test inženjer u Maršalu.
Do danas, rešenje je bilo da se povuče i zameni stari hardver kada se delovi zaguše biofilmom. Ali inženjeri žele da izbegnu potrebu za takvom taktikom.
„Čak i sa mogućnošću 3D štampanja rezervnih delova na Mesecu ili Marsu, ima smisla pronaći strategije koje sprečavaju nakupljanje biofilma“, rekao je Velez-Justinijano.
Tim je napravio prvi korak u junu 2023. godine objavljivanjem kompletne sekvence genoma nekoliko sojeva bakterija izolovanih iz sistema za rekultivaciju vode svemirske stanice, od kojih svi neguju formiranje biofilma.
Zatim su dizajnirali testni štand koji simulira uslove u rezervoaru za otpadnu vodu oko 250 milja iznad, što omogućava istovremeno proučavanje više opcija za ublažavanje. Na platformi se nalazilo osam biofilmskih reaktora centara za kontrolu i prevenciju bolesti — cilindričnih uređaja otprilike veličine boce za vodu trkača — svaki 1/60 veličine stvarnog rezervoara.
Svaki bioreaktor sadrži do 21 jedinstveni uzorak za testiranje na klizačima, koji se neprekidno kupaju u toku prave ili erzac otpadne vode, vremenski se meri i meri automatizovanim sistemom, a tim pažljivo prati. Zbog kompaktne veličine bioreaktora, testni štand je zahtevao 2,1 galona erzac protoka nedeljno, neprekidno cureći 0,1 mililitara u minuti u svaki od osam bioreaktora.
„U suštini, napravili smo kolekciju sićušnih sistema koji su svi morali da dozvoljavaju male promene temperature i pritiska, održavaju sterilno okruženje, obezbeđuju funkcionalnost autoklava i rade u harmoniji nedeljama uz minimalnu ljudsku intervenciju“, rekao je Bajtl. „Jedna faza serije testova je trajala bez prestanka 65 dana, a druga je trajala 77 dana. Bio je to jedinstven izazov iz inženjerske perspektive.“
U svaki bioreaktor uvedene su različite strategije ublažavanja uticaja na površinu, uzvodni kontraagensi, antimikrobni premazi i nivoi temperature. Jedan obećavajući test uključivao je leću, biljku koja je već prepoznata kao prirodni sistem za prečišćavanje vode i zbog svoje sposobnosti da uhvati toksine i kontroliše miris otpadnih voda. Proždiranjem hranljivih sastojaka uzvodno od bioreaktora, patka je uskratila bakterijama ono što im je potrebno za napredovanje, smanjujući rast biofilma do 99,9%.
Tokom tromesečnog perioda testiranja, timovi su u redovnim intervalima uklanjali uzorke iz svakog bioreaktora i pripremali se za proučavanje pod mikroskopom kako bi napravili detaljan broj jedinica koje formiraju kolonije biofilma na svakoj ploči.
„Bakterije i gljive su pametne“, rekao je Velez-Justinijano. „Oni se prilagođavaju. Prepoznajemo da će biti potrebna kombinacija efikasnih metoda ublažavanja biofilma da bi se prevazišao ovaj izazov.“
Biofilm predstavlja prepreku dugotrajnim svemirskim letovima i produženim misijama na drugim svetovima gde rezervni delovi mogu biti skupi ili ih je teško nabaviti. Tim za ublažavanje uticaja biofilma nastavlja da procenjuje i objavljuje nalaze, zajedno sa akademskim i industrijskim partnerima, i nastaviće svoja istraživanja eksperimentom u punom rezervoaru u Maršalu. Nadaju se da će napredovati do testova letenja, eksperimentišući sa različitim metodama ublažavanja u stvarnim uslovima mikrogravitacije u orbiti kako bi pronašli rešenja za održavanje čistih površina, pijaću vodu i zdravlje budućih istraživača.
