Pomagając mikrobom wytrzymać przemysłowe przetwarzanie, metoda ta może ułatwić wykorzystanie dobroczynnych właściwości mikroorganizmów w lekach i rolnictwie.
Mikroby wykorzystywane w celach zdrowotnych, rolniczych lub innych muszą być w stanie wytrzymać ekstremalne warunki, a w idealnym przypadku procesy produkcyjne stosowane do wytwarzania tabletek do długoterminowego przechowywania. Naukowcy z MIT opracowali nowy sposób, aby mikroby były wystarczająco wytrzymałe, aby wytrzymać te ekstremalne warunki.
Ich metoda polega na mieszaniu bakterii z dodatkami do żywności i leków z listy związków, które FDA klasyfikuje jako „ogólnie uważane za bezpieczne”. Naukowcy zidentyfikowali formulacje, które pomagają stabilizować kilka różnych typów drobnoustrojów, w tym drożdże i bakterie, i wykazali, że te formulacje mogą wytrzymać wysokie temperatury, promieniowanie i przetwarzanie przemysłowe, które może uszkodzić niezabezpieczone drobnoustroje.
W jeszcze bardziej ekstremalnym teście część mikrobów niedawno powróciła z podróży na Międzynarodową Stację Kosmiczną, koordynowanej przez Phyllis Friello, dyrektor ds. nauki i badań Centrum Kosmicznego w Houston, a obecnie naukowcy analizują, jak dobrze mikroby poradziły sobie w tamtych warunkach.
„Projekt ten miał na celu stabilizację organizmów w ekstremalnych warunkach. Myślimy o szerokim zakresie zastosowań, czy to misje kosmiczne, zastosowania ludzkie czy zastosowania rolnicze” — mówi Giovanni Traverso, adiunkt inżynierii mechanicznej w MIT, gastroenterolog w Brigham and Women’s Hospital i starszy autor badania.
Miguel Jimenez, były naukowiec badawczy MIT, obecnie adiunkt inżynierii biomedycznej na Uniwersytecie w Bostonie, jest głównym autorem artykułu, który ukazał się dzisiaj w Materiały naturalne.
Przetrwanie w ekstremalnych warunkach
Około sześć lat temu, dzięki dofinansowaniu z Instytutu Badań Translacyjnych ds. Zdrowia Kosmicznego (TRISH) NASA, laboratorium Traverso rozpoczęło pracę nad nowymi podejściami, aby uczynić pomocne bakterie, takie jak probiotyki i terapie mikrobiologiczne, bardziej odpornymi. Jako punkt wyjścia badacze przeanalizowali 13 dostępnych w sprzedaży probiotyków i odkryli, że sześć z tych produktów nie zawierało tak wielu żywych bakterii, jak wskazywała etykieta.
„Odkryliśmy, że, co może nie jest zaskakujące, istnieje różnica i może być ona znacząca” — mówi Traverso. „Więc następne pytanie brzmiało, biorąc to pod uwagę, co możemy zrobić, aby pomóc w tej sytuacji?”
Do swoich eksperymentów naukowcy wybrali cztery różne mikroby, na których się skupili: trzy bakterie i jeden drożdżak. Te mikroby to Pałeczka okrężnicy Nissle 1917, probiotyk; Nostrzyk żółtybakteria, która potrafi wiązać azot w glebie, wspomagając wzrost roślin; Rośliny Lactobacillusbakteria wykorzystywana do fermentacji produktów spożywczych; i drożdże Saccharomyces boulardiiktóry jest również stosowany jako probiotyk.
Kiedy mikroby są wykorzystywane w zastosowaniach medycznych lub rolniczych, są one zazwyczaj suszone na proszek w procesie zwanym liofilizacją. Jednak zazwyczaj nie można ich przekształcić w bardziej użyteczne formy, takie jak tabletki lub pigułki, ponieważ proces ten wymaga narażenia na działanie rozpuszczalnika organicznego, który może być toksyczny dla bakterii. Zespół MIT postawił sobie za cel znalezienie dodatków, które mogłyby poprawić zdolność mikrobów do przetrwania tego rodzaju przetwarzania.
„Opracowaliśmy przepływ pracy, w którym możemy wziąć materiały z listy materiałów „ogólnie uznawanych za bezpieczne” FDA, wymieszać je i dopasować do bakterii i zapytać, czy są składniki, które zwiększają stabilność bakterii podczas procesu liofilizacji?” — mówi Traverso.
Ich konfiguracja pozwala im mieszać mikroby z jednym z około 100 różnych składników, a następnie hodować je, aby zobaczyć, które przetrwają najlepiej, gdy będą przechowywane w temperaturze pokojowej przez 30 dni. Te eksperymenty ujawniły różne składniki, głównie cukry i peptydy, które najlepiej działały na każdy gatunek mikroba.
Następnie naukowcy wybrali jeden z mikrobów, E coli Nissle 1917, w celu dalszej optymalizacji. Ten probiotyk był stosowany w leczeniu „biegunki podróżnych”, schorzenia spowodowanego piciem wody zanieczyszczonej szkodliwymi bakteriami. Naukowcy odkryli, że jeśli połączą kofeinę lub ekstrakt drożdżowy z cukrem zwanym melibiozą, mogą stworzyć bardzo stabilną formułę E coli Nissle 1917. Ta mieszanka, którą naukowcy nazwali formulacją D, pozwalała na przeżycie ponad 10 procent drobnoustrojów po przechowywaniu ich przez sześć miesięcy w temperaturze 37 stopni Celsjusza, podczas gdy dostępna w sprzedaży formulacja E coli Nissle 1917 utracił wszelką zdolność do lotu po zaledwie 11 dniach w takich warunkach.
Formuła D była również w stanie wytrzymać znacznie wyższe poziomy promieniowania jonizującego, sięgające nawet 1000 grejów. (Typowa dawka promieniowania na Ziemi wynosi około 15 mikrogrejów na dzień, a w kosmosie około 200 mikrogrejów na dzień).
Naukowcy nie wiedzą dokładnie, w jaki sposób ich formuły chronią bakterie, ale stawiają hipotezę, że dodatki mogą pomóc w stabilizacji błon komórkowych bakterii podczas rehydratacji.
Testy wytrzymałościowe
Następnie naukowcy wykazali, że te mikroby nie tylko mogą przetrwać trudne warunki, ale także zachowują swoją funkcję po tych ekspozycjach. Nostrzyk żółty Poddano je działaniu temperatur sięgających 50 stopni Celsjusza, jednak naukowcy odkryli, że bakterie te nadal były w stanie tworzyć symbiotyczne brodawki na korzeniach roślin i przekształcać azot w amoniak.
Odkryli również, że ich formuła E coli Nissle 1917 był w stanie zahamować wzrost Shigellaflexnerijednej z głównych przyczyn zgonów spowodowanych biegunką w krajach o niskich i średnich dochodach, gdy drobnoustroje hodowano razem w naczyniu laboratoryjnym.
W zeszłym roku kilka szczepów tych ekstremofilnych mikrobów zostało wysłanych na Międzynarodową Stację Kosmiczną, co Jimenez opisuje jako „ostateczny test wytrzymałościowy”.
„Nawet sama wysyłka na Ziemię, walidacja przed lotem i przechowywanie do momentu lotu stanowią część tego testu, bez żadnej kontroli temperatury na przestrzeni całego procesu” – mówi.
Próbki niedawno wróciły na Ziemię, a laboratorium Jimeneza je teraz analizuje. Planuje porównać próbki, które były przechowywane wewnątrz ISS, z innymi, które były przykręcone do zewnętrznej części stacji, a także z próbkami kontrolnymi, które pozostały na Ziemi.
„Ta praca oferuje obiecujące podejście do zwiększenia stabilności probiotyków i/lub genetycznie zmodyfikowanych drobnoustrojów w ekstremalnych środowiskach, takich jak przestrzeń kosmiczna, co może być wykorzystane w przyszłych misjach kosmicznych w celu utrzymania zdrowia astronautów lub promowania zrównoważonego rozwoju, np. w celu promowania silniejszych i bardziej odpornych roślin do produkcji żywności” — mówi Camilla Urbaniak, naukowiec z Jet Propulsion Laboratory NASA, która nie była zaangażowana w badanie.
Pozostali autorzy artykułu to: Johanna L’Heureux, Emily Kolaya, Gary Liu, Kyle Martin, Husna Ellis, Alfred Dao, Margaret Yang, Zachary Villaverde, Afeefah Khazi-Syed, Qinhao Cao, Niora Fabian, Joshua Jenkins, Nina Fitzgerald, Christina Karavasili, Benjamin Muller i James Byrne.
Artykuł: „Syntetyczne ekstremofile: Specyficzne dla gatunku formulacje dla terapii mikrobiologicznej i nie tylko”
