生物膜在空间和设备和宇航员的风险

NASA是即将到来的空间生物膜实验的官方任务补丁，在麻省理工学院和科罗拉多州大学开发，计划被送往国际空间站。图片由研究人员提供。

麻省理工学院和科罗拉多大学研究人员正在合作送到国际空间站的实验上。

来自麻省理工学院的研究人员将与科罗拉多大学的同事合作，在2019年11月2日送到国际空间站（ISS）的实验上进行博尔德。实验正在寻找方法来解决空间站内表面的生物膜的形成。这些难以杀死的细菌或真菌群体可以导致设备发生故障并使宇航员生病。麻省理工学院新闻询问机械工程教授Kripa Varanasi和博士生Samantha McBride描述了计划的实验及其目标。

问：对于初学者来说，告诉我们这项研究旨在解决的问题。

瓦拉纳西：生物膜在太空站的表面上生长，最初对我来说是一个惊喜。他们为什么要在太空中成长？但这是一个问题，可以危及关键设备 - 空间西装，水回收单位，散热器，导航窗口等 - 并且也可以导致人类​​疾病。因此，需要理解和表征，特别是对于长期空间任务。

在Mir和Skylab这样的一些早期空间站任务中，有宇航员在太空中生病了。我不知道我们是否可以肯定会说它是由于这些生物膜，但我们知道由于生物膜生长，例如堵塞阀门的设备故障。

在过去，已经有研究表明，生物膜实际上成长并在地球上积累更多，这是一种令人惊讶的。它们变得更厚;他们有不同的形式。该项目的目标是研究生物膜如何在太空中生长。为什么他们得到所有这些不同的形态？基本上，它没有引力，也可能是其他驱动力，例如对流。

我们也想考虑修复方法。你怎么能解决这个问题？在我们目前与UC BOULDER的LUIS ZEA合作中，我们在存在和缺乏重力的情况下正在寻找生物膜在工程基板上的生长。我们为这些生物膜制造不同的表面，我们将一些技术应用于该实验室中开发的一些技术，包括液体浸渍表面[LIS]和超疏水性纳米纹理表面，我们看着生物膜如何在它们上生长。我们发现经过一年的实验，在地球上，Lis曲面确实很好：与许多其他国家的基材相比，没有生物膜生长。

问：那么在这个新的实验中，你会寻找什么才能在ISS上飞行？

麦克布莱德：有迹象表明细菌可能实际上可能在太空中增加了毒力，因此宇航员更有可能生病。这很有趣，因为通常在你想到细菌的时候，你正在考虑一些如此小的东西，以至于重力不应该发挥这一角色。

Cynthia Collin教授在RPI [Rensselaer Govertechnic Institute]对中的实验表明，当您具有正常的重力时，细菌能够移动并形成这些类似的蘑菇状形状，而在微匍匐移动细菌中形成这种情况生物膜的冠层形状。所以基本上，它们并不像更多的限制，并且他们可以在这种不寻常的形态方面开始发展。

我们目前的工作是与UC Boulder和Luis Zea的合作作为主要调查员。所以现在，而不是看细菌如何应对地球上的重力，我们也在看他们在不同的工程基板上的成长。而且，更根本的是，我们可以看到为什么细菌生物膜形成他们在地球上的方式，只是通过带走一个具有重力的一个变量。

有两种不同的实验，一种含有细菌生物膜和一种有真菌生物膜。在这些表面存在下，Zea和他的小组在测试介质中养了这些生物，然后通过生物膜质量，厚度，形貌，然后基因表达表征它们。这些样本现在将被发送到空间站，看看它们如何在那里生长。

问：所以根据早期的测试，你期望看到样品在两个月后回到地球吗？

瓦拉纳西：到目前为止，我们发现的是，有趣的是，超疏水表面的大量生物量在超疏水表面上生长，这通常被认为是防污的。相比之下，在液体浸渍的表面上，液量后面的技术基本上没有生物质生长。这产生了与阴性对照相同的结果，其中没有细菌。

我们还做了一些控制试验，以确认液体浸渍表面上使用的油不是生物杀菌剂。因此，我们不仅仅是杀死细菌，它们实际上只是不遵守基材，而且它们不会在那里生长。

麦克布莱德：对于LIS曲面，我们将看看是否在它们上形成生物膜。我认为这两个结果都非常有趣。如果生物膜在太空中的这些表面上生长，但不是在地上，我认为这将告诉我们这些有机体行为非常有趣。当然，如果生物膜不形成，并且表面可以防止它们在地上的形成，那么这也很棒，因为现在我们有一种机制来防止生物膜形成在空间站中的一些设备。

所以我们对任何一个结果都很满意，但如果LIS在地面上表现得才能表演，我认为在预防生物膜而不是让人们生病的方面会对未来任务产生巨大影响。

从根本上，从科学的角度来看，我们希望了解这些电影的增长，并了解生长背后的所有生物力学，生物物理和生化机制。通过添加表面形态，质地和其他属性，如液体浸渍表面，我们可能会在这些薄膜的生长和演变中看到新的现象，并且可能实际上提出解决问题的解决方案。

瓦拉纳西：然后，这可能导致设计具有这些功能的新设备甚至空间套装。所以这就是我认为我们想从中学习的地方，然后提出解决方案。

参考：“设计浮标生物膜实验”由Luis Zea，Zeena Nisar，Phil Rubin，MartaCortesão，嘉琪罗，萨曼·罗德，Ralf Moeller，David Klaus，DanielMüller，Kripa K.Varanasi，Frankmuecklich和Louisstodieck，2018年4月23日，Acta Astorons.doi：
10.1016 / J.Actaastro.2018.04.039.