МКС и Чужие: марсианским биопленкам конец благодаря инновационным поверхностям

После пребывания в космосе на борту Международной космической станции новый вид обработки поверхности значительно снизил рост биопленок, сообщают ученые. Биопленки — это маты из микроорганизмов или грибов, которые могут засорять шланги или фильтры в системах обработки воды, а также вызывать заболевания у людей.

В ходе эксперимента ученые исследовали различные поверхности, обработанные различными способами и подвергшиеся воздействию бактерии Pseudomonas aeruginosa, которая является условно-патогенным микроорганизмом и может вызывать инфекции у людей, особенно в больницах. Поверхности инкубировались в течение трех дней на борту космической станции, начиная с 2019 года. Результаты показали, что текстурированные поверхности, пропитанные лубрикантом, успешно предотвращают рост биопленки в течение длительного пребывания в космосе.

Результаты исследования описаны в статье в журнале Nature Microgravity. Публикацию подготовили Саманта Макбрайд PhD '20 и Крипа Варанаси из Массачусетского технологического института, Памела Флорес и Луис Зеа из Университета Колорадо, а также Джонатан Галакза из Исследовательского центра НАСА имени Эймса.

Засоры в шлангах системы регенерации воды на борту МКС иногда были настолько серьезными, что шланги приходилось отправлять на Землю для очистки и восстановления. И хотя неизвестно, способствовали ли биопленки непосредственно заболеваниям космонавтов, на Земле биопленки связаны с 65% микробных инфекций и 80% хронических инфекций, говорят исследователи.

Одним из подходов к предотвращению образования биопленок является использование поверхностей, покрытых определенными металлами или оксидами, убивающими микробы, но этот подход может оказаться неудачным, если на поверхности образуется слой мертвых микробов, позволяющий биопленке образовываться над ним. Однако в случае с поверхностью, залитой жидкостью, которая хорошо зарекомендовала себя в экспериментах на МКС, дело обстоит иначе: Вместо того чтобы убивать микробы, она препятствовала их прилипанию к поверхности.

Специальная поверхность была изготовлена из кремния, который был вытравлен для получения наноразмерного леса столбиков. Затем на эту остроконечную поверхность наносится кремниевое масло, которое втягивается в текстуру и удерживается капиллярами, образуя гладкую и очень скользкую поверхность, значительно снижающую адгезию микробов и препятствующую образованию биопленки.

Идентичные эксперименты проводились как на Земле, так и на космической станции, чтобы определить различия, возникающие в условиях микрогравитации на орбите. К удивлению исследователей, в космосе поверхность, пропитанная жидкостью, оказалась даже лучше, чем на Земле, в плане предотвращения адгезии микроорганизмов.

На предыдущих и нынешних космических станциях, включая советские станции «Мир», „Салют-6“ и „Салют-7“, а также Международную космическую станцию, „наблюдались такие биопленки, и они подвергали опасности различные приборы и оборудование, включая скафандры, утилизаторы, радиаторы и водоочистные сооружения, поэтому это очень важная проблема, которую необходимо было понять“, — говорит Варанаси, профессор машиностроения и основатель компании LiquiGlide, которая производит пропитанные жидкостью поверхности для контейнеров, чтобы помочь их содержимому выскользнуть.

Предыдущие испытания на Земле показали, что такие обработанные поверхности могут значительно снизить адгезию биопленки. Когда были получены и протестированы образцы с космической станции, «мы обнаружили, что эти поверхности чрезвычайно хорошо предотвращают образование биопленок и на космической станции», — говорит Варанаси. Это важно, поскольку, по словам Макбрайда, предыдущие работы показали, что микрогравитация может оказывать значительное влияние на морфологию биопленки, поведение прикрепления и экспрессию генов. Таким образом, стратегии, которые хорошо работают на Земле для борьбы с биопленками, могут быть не всегда применимы в условиях микрогравитации.

Предотвращение образования биопленок будет особенно важно для будущих длительных полетов, например, на Луну или Марс, где не будет возможности быстро вернуть на Землю загрязненное оборудование или заболевших астронавтов, считает команда. Если дальнейшие испытания подтвердят долгосрочную стабильность и успешное предотвращение образования биопленки, то покрытия на основе концепции поверхности, обработанной жидкостью, можно будет наносить на различные критические компоненты, которые, как известно, подвержены образованию биопленки, например, шланги и фильтры для очистки воды, или на детали, находящиеся в тесном контакте с космонавтами, например, перчатки или поверхности для приготовления пищи.

По словам Флореса, который провел большую часть испытаний образцов, подвергшихся воздействию МКС, в наземных образцах образование биопленки сократилось примерно на 74%, а в образцах, полученных на космической станции, — на 86%.

Полученные результаты удивительны, — говорит она, — поскольку ранее проведенные другими учеными исследования показали, что в космосе образование биопленки происходит быстрее, чем на Земле. На этих образцах мы обнаружили обратное.

По ее словам, хотя в испытаниях использовался конкретный и хорошо изученный вид грамотрицательных бактерий, полученные результаты должны быть применимы к любому виду грамотрицательных бактерий, а скорее всего, и к грамположительным бактериям. Было обнаружено, что участки поверхности, на которых не происходило роста бактерий, были покрыты тонким слоем нуклеиновых кислот, обладающих небольшим отрицательным электрическим зарядом, который, возможно, препятствует прилипанию микроорганизмов. По словам Флореса, как грамположительные, так и грамотрицательные бактерии имеют небольшой отрицательный заряд, который может отталкивать их от этой отрицательно заряженной поверхности.

По словам Варанаси, другие типы противообрастающих поверхностей «работают в основном на биоцидных свойствах, которые обычно действуют только на первый слой клеток, поскольку после их отмирания они могут образовывать осадок, и микробы могут расти на них. Так что обычно это очень сложная проблема». Но в случае с пропитанной жидкостью поверхностью, на которой в основном находится только сама жидкость, дефектов или точек, где бактерии могут закрепиться, очень мало, говорит он.

Хотя тестовый материал находился на космической станции более года, реальные испытания проводились только в течение трех дней, поскольку требовали активного участия космонавтов, чей график всегда очень плотный. Однако на основе этих первых результатов команда сделала одну рекомендацию: в будущем необходимо провести более длительные испытания. По словам Флореса, в этих первых испытаниях результаты после третьего дня выглядели так же, как после первого и второго дней. «Мы не знаем, как долго он сможет поддерживать такую производительность, поэтому мы определенно рекомендуем более длительное время инкубации, а также, если возможно, непрерывный анализ, а не только конечные точки».

Зеа, инициировавший проект совместно с NASA, говорит, что это первый случай, когда агентство провело испытания с совместным участием двух своих научных программ — биологии и физических наук. «Я думаю, что это подчеркивает важность междисциплинарности, поскольку нам необходимо уметь объединять эти различные дисциплины для поиска решений реальных проблем».

Биопленки также являются серьезной медицинской проблемой на Земле, особенно на медицинских устройствах или имплантатах, включая катетеры, где они могут привести к серьезным проблемам с заболеваниями. По словам Варанаси, подобные поверхности, пропитанные жидкостью, могут сыграть определенную роль в решении этих проблем.

Проект осуществлялся при поддержке NASA и с использованием оборудования, предоставленного рядом других компаний и организаций.

07.09.2023


Подписаться в Telegram



Космос

Nature Geoscience: Не все жидкости на Марсе были водой
Nature Geoscience: Не все жидкости на Марсе были водой

Раньше ученые думали, что поверхность Мар...

Nature: Астрономы MIT нашли самые маленькие астероиды
Nature: Астрономы MIT нашли самые маленькие астероиды

Астероид, уничтоживший динозавров, был, по&nbs...

Хаббл нашел звездные ясли в 38 млн световых лет от Земли
Хаббл нашел звездные ясли в 38 млн световых лет от Земли

Космический телескоп Хаббл сделал новый снимок...

Physical Review Letters: Темная материя появилась во время космической инфляции
Physical Review Letters: Темная материя появилась во время космической инфляции

Физики пытаются понять, откуда взялась темная ...

Phys.org: Ученые обнаружили 719 новых галактик в Великом аттракторе
Phys.org: Ученые обнаружили 719 новых галактик в Великом аттракторе

В космосе есть место, куда астрономы не р...

Nature Astronomy: Красные карлики тоже обогащают Вселенную
Nature Astronomy: Красные карлики тоже обогащают Вселенную

Астрономы могут заглянуть в прошлое, набл...

В ЮФУ предложили новую модель компактных звезд
В ЮФУ предложили новую модель компактных звезд

Новую модель компактных звезд предложили учены...

Astronomy & Astrophysics: Астрофизики измерили поведение частиц в килоновой
Astronomy & Astrophysics: Астрофизики измерили поведение частиц в килоновой

После столкновения двух нейтронных звезд и&nbs...

Наноспутник будет искать нефтяные пятна и предсказывать лесные пожары
Наноспутник будет искать нефтяные пятна и предсказывать лесные пожары

Два космических аппарата Самарского университе...

В АмГУ разработали модуль для российско-белорусского спутника
В АмГУ разработали модуль для российско-белорусского спутника

Проект инженеров Амурского госуниверситета поб...

Planetary Science Journal: Большое красное пятно Юпитера меняется в размерах
Planetary Science Journal: Большое красное пятно Юпитера меняется в размерах

С помощью телескопа Хаббл астрономы наблюдали ...

DPS56: На экзопланеты полезно взглянуть под другим углом
DPS56: На экзопланеты полезно взглянуть под другим углом

Астрономы сравнили чёткие снимки Урана от ...

MNRAS: Открыта самая удаленная вращающаяся дисковая галактика
MNRAS: Открыта самая удаленная вращающаяся дисковая галактика

С помощью телескопа ALMA ученые обнаружили отд...

Nature Astronomy: Открытие помогает понять, как возникла Солнечная система
Nature Astronomy: Открытие помогает понять, как возникла Солнечная система

Астрономы обнаружили новые детали газовых пото...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Nature: Выяснилось, как Т-клетки и белки обеспечивают баланс иммунной системы
Nature: Выяснилось, как Т-клетки и белки обеспечивают баланс иммунной системы
В ПНИПУ скорректировали модель поведения течений в микрожидкостных устройствах
В ПНИПУ скорректировали модель поведения течений в микрожидкостных устройствах
Brain Sciences: Ученые выяснили, от чего зависит частота женских оргазмов
Brain Sciences: Ученые выяснили, от чего зависит частота женских оргазмов
AC: Разработаны безопасные и стабильные батареи на основе цинка
AC: Разработаны безопасные и стабильные батареи на основе цинка
В ЛЭТИ разработали цифровой сервис с VR для обучения медицинских инженеров
В ЛЭТИ разработали цифровой сервис с VR для обучения медицинских инженеров
Ученые МГУ выделили новую термофильную бактерию
Ученые МГУ выделили новую термофильную бактерию
Nature Geoscience: Не все жидкости на Марсе были водой
Nature Geoscience: Не все жидкости на Марсе были водой
Биолог КФУ развеял популярные мифы и заблуждения о растениях
Биолог КФУ развеял популярные мифы и заблуждения о растениях
Nature Catalysis: Ученые превратили кишечную палочку в полезную супербактерию
Nature Catalysis: Ученые превратили кишечную палочку в полезную супербактерию
В России разработан материал для сверхбыстрых сенсоров
В России разработан материал для сверхбыстрых сенсоров
HortRes: Два ключевых белка повышают эффективность усвоения томатами фосфора
HortRes: Два ключевых белка повышают эффективность усвоения томатами фосфора
Разработан портативный биопринтер для борьбы с незаживающими ранами
Разработан портативный биопринтер для борьбы с незаживающими ранами
На МКС впервые изготовили 3d-аналоги костной ткани
На МКС впервые изготовили 3d-аналоги костной ткани
NewAst: Высокоскоростные облака составляют меньшую часть массы Млечного Пути
NewAst: Высокоскоростные облака составляют меньшую часть массы Млечного Пути
PRSB: Новая система выявляет проблемы на рынках кредитования биоразнообразия
PRSB: Новая система выявляет проблемы на рынках кредитования биоразнообразия

Новости компаний, релизы

В МИФИ наградили лучшие студенческие научные общества
Лучшие программы для преобразования звука в текст
ТГУ готовит специалистов для российской электронной промышленности
Пироговский университет стал победителем премии «Сноба» «Сделано в России»
Наука во льдах и за партой: молодые ученые Поморья проводят для школьников и студентов необычные лекции