Forskare från MIT kommer att samarbeta med kollegor vid University of Colorado i Boulder i ett experiment som är planerat att skickas till den internationella rymdstationen (ISS) den 2 november. Experimentet letar efter sätt att hantera bildandet av biofilmer på ytor inom rymdstationen. Dessa svårdödade samhällen av bakterier eller svampar kan orsaka utrustningsfel och göra astronauter sjuka. MIT News bad professorn i maskinteknik Kripa Varanasi och doktoranden Samantha McBride att beskriva de planerade experimenten och deras mål.

F:Till att börja med, berätta om problemet som denna forskning syftar till att ta itu med.

Varanasi:Biofilmer växer på ytor i rymdstationer, vilket först var en överraskning för mig. Varför skulle de växa i rymden? Men det är ett problem som kan äventyra nyckelutrustningen – rymddräkter, vattenåtervinningsenheter, radiatorer, navigeringsfönster, och så vidare — och kan också leda till mänsklig sjukdom. Den måste därför förstås och karakteriseras, speciellt för långvariga rymduppdrag.

I några av de tidiga rymdstationsuppdragen som Mir och Skylab, det fanns astronauter som höll på att bli sjuka i rymden. Jag vet inte om vi med säkerhet kan säga att det beror på dessa biofilmer, men vi vet att det har varit utrustningsfel på grund av tillväxt av biofilm, som tilltäppta ventiler.

Tidigare har det gjorts studier som visar att biofilmerna faktiskt växer och ackumuleras mer i rymden än på jorden, vilket är lite överraskande. De blir tjockare; de har olika former. Målet med detta projekt är att studera hur biofilmer växer i rymden. Varför får de alla dessa olika morfologier? Väsentligen, det är frånvaron av gravitation och förmodligen andra drivkrafter, konvektion till exempel.

Vi vill också tänka på saneringssätt. Hur kunde du lösa detta problem? I vårt nuvarande samarbete med Luis Zea på UC Boulder, vi tittar på tillväxt av biofilm på konstruerade substrat i närvaro och frånvaro av gravitation. Vi gör olika ytor för dessa biofilmer att växa på, och vi tillämpar några av våra teknologier som utvecklats i detta labb, inklusive vätskeimpregnerade ytor [LIS] och superhydrofoba nanotexturerade ytor, och vi tittade på hur biofilmer växer på dem. Vi upptäckte att efter ett års experiment, här på jorden, LIS-ytorna gick riktigt bra:det fanns ingen biofilmtillväxt, jämfört med många andra toppmoderna substrat.

F:Så vad kommer du att leta efter i det här nya experimentet som ska flygas på ISS?

McBride:Det finns tecken som tyder på att bakterier faktiskt kan öka sin virulens i rymden, och så astronauter är mer benägna att bli sjuka. Detta är intressant eftersom vanligtvis när du tänker på bakterier, du tänker på något som är så litet att gravitationen inte borde spela så stor roll.

Professor Cynthia Collins grupp vid RPI [Rensselaer Polytechnic Institute] gjorde ett tidigare experiment på ISS som visade att när du har normal gravitation, bakterierna kan röra sig och bilda dessa svampliknande former, mot i mikrogravitation bildar mobila bakterier denna typ av baldakinform av biofilm. Så i princip, de är inte lika begränsade längre och de kan börja växa utåt i denna ovanliga morfologi.

Vårt nuvarande arbete är ett samarbete med UC Boulder och Luis Zea som huvudutredare. Så nu istället för att bara titta på hur bakterier svarar på mikrogravitation kontra gravitation på jorden, vi tittar också på hur de växer på olika konstruerade substrat. Och även, mer fundamentalt, vi kan se varför bakteriebiofilmer bildas som de gör på jorden, bara genom att ta bort den där variabeln för att ha gravitationen.

Det finns två olika experiment, en med bakteriell biofilm och en med svampbiofilm. Zea och hans grupp har odlat dessa organismer i ett testmedium i närvaro av dessa ytor, och sedan karakterisera dem av biofilmmassan, tjockheten, morfologi, och sedan genuttrycket. Dessa prover kommer nu att skickas till rymdstationen för att se hur de växer där.

F:Så baserat på de tidigare testerna, vad förväntar du dig att se när proverna kommer tillbaka till jorden efter två månader?

Varanasi:Vad vi har hittat hittills är att, intressant, en hel del biomassa växer på superhydrofoba ytor, som vanligtvis anses vara antifouling. I kontrast, på de vätskeimpregnerade ytorna, tekniken bakom Liquiglide, det fanns i princip ingen biomassatillväxt. Detta gav samma resultat som den negativa kontrollen, där det inte fanns några bakterier.

Vi gjorde även några kontrolltester för att bekräfta att oljan som används på de vätskeimpregnerade ytorna inte är biocid. Så vi dödar inte bara bakterierna, de fäster faktiskt inte vid underlaget, och de växer inte där.

McBride:För LIS-ytorna, vi ska titta på om det bildas biofilmer på dem eller inte. Jag tror att båda resultaten skulle vara riktigt intressanta. Om biofilm växer på dessa ytor i rymden, men inte på marken, Jag tror att det kommer att berätta något mycket intressant om beteendet hos dessa organismer. Och naturligtvis, om biofilmer inte bildas och ytorna förhindrar bildning som de gör på marken, då är det också bra, för nu har vi en mekanism för att förhindra biofilmbildning på en del av utrustningen i rymdstationen.

Så vi skulle vara nöjda med båda resultaten, men om LIS presterar lika bra som den gjorde på marken, Jag tror att det kommer att ha en enorm inverkan på framtida uppdrag när det gäller att förebygga biofilmer och inte göra folk sjuka.

I grunden ur vetenskaplig synvinkel, vi vill förstå tillväxten av dessa filmer och förstå allt det biomekaniska, biofysiska, och biokemiska mekanismer bakom tillväxten. Genom att lägga till ytmorfologin, textur, och andra egenskaper som de vätskeimpregnerade ytorna, vi kan se nya fenomen i tillväxten och utvecklingen av dessa filmer, och kanske faktiskt komma på en lösning för att lösa problemet.

Varanasi:Och då kan det leda till att man designar ny utrustning eller till och med rymddräkter som har dessa funktioner. Så det är där jag tror att vi skulle vilja lära oss av detta och sedan föreslå lösningar.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.