Расширенное тестирование микробов на космической станции улучшает мониторинг сточных вод

После того, как тряпки, которыми протирали космическую станцию, прибыли на Землю, их прополоскали в банке с водой, показанной здесь, с оранжевой крышкой, чтобы удалить микробы. Затем эту жидкость концентрировали в этом флаконе (вкладыше) для тестирования с помощью системы CP Select компании InnovaPrep. (Изображение:НАСА)

Отслеживание распространения COVID-19 в сообществах предоставило чиновникам здравоохранения и отдельным лицам важные данные для принятия обоснованных решений во время пандемии. Одним из методов, который оказался полезным, был сбор, концентрация и тестирование городских сточных вод на наличие вируса, вызвавшего болезнь. По мере расширения масштабов испытаний разработанная для НАСА технология выявления патогенов внутри космических кораблей сэкономила время и дала надежные результаты на Земле.

Астронавт НАСА Меган МакАртур собирает образцы микробов с поверхностей внутри космической станции, чтобы изучить микробы, связанные с закрытым жильем, и предсказать те, которые могут представлять угрозу для здоровья экипажа. (Изображение:НАСА)

Несколько контрактов на исследования инноваций в сфере малого бизнеса (SBIR), заключенных несколькими годами ранее, помогли компании InnovaPrep LLC из Дрекселя, штат Миссури, улучшить существующий процесс биоконцентрации и применить его для автоматического тестирования на вирусы, бактерии и другие патогены в воздухе, воде и на поверхностях Международной космической станции. Помимо использования нового фильтрующего материала, улучшения процесса и его модификации для космоса, компания разработала новые этапы производства для полуавтоматизации производственных процессов. До начала работы в СБИР компания вручную изготавливала одноразовые фильтры, называемые пипетками, и производила около 200 штук в неделю. Теперь производительность составляет 12 000 в неделю, а система может легко масштабироваться в соответствии с растущим спросом.

Улучшение производства пришло как раз вовремя. InnovaPrep могла бы легко выполнять заказы департаментов общественного здравоохранения, коммерческих лабораторий и исследователей, поскольку были предприняты усилия по мониторингу COVID-19. Энди Пейдж, технический директор InnovaPrep, благодарит НАСА за способность компании продвигать линейки продуктов AirPrep и FluidPrep.

"У нас было много хорошего взаимодействия с учеными НАСА, которые предоставили много полезной информации. Это сотрудничество очень ценно", - сказал он. «Программа SBIR позволяет вам открывать для себя вещи, которые без такого финансирования вам будет нелегко открыть».

Патогены, в том числе некоторые бактерии и вирусы, могут стать более вредными в условиях невесомости, поэтому обеспечение безопасности космического корабля для астронавтов требует бдительности. Однако сбор и тестирование образцов — трудоемкие задачи. Лаборатория реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии возглавила усилия по повышению ее эффективности с помощью автоматизации. Кастури «Венкат» Венкатешваран, старший научный сотрудник Лаборатории реактивного движения, работает с InnovaPrep над модификацией своей технологии концентрации проб для космоса.

Концентрация микробов в галлонах воды до нескольких унций для тестирования может оказаться трудоемкой задачей. Но специализированная система фильтрации InnovaPrep под названием CP Select, созданная на основе опыта НАСА, может быстро сделать это на Земле. (Изображение:ООО «ИнноваПреп»)

Одним из вариантов получения более быстрых результатов является тест полимеразной цепной реакции (ПЦР). ПЦР быстро амплифицирует небольшие сегменты генетического материала — ДНК или РНК — путем создания множества копий. Это создает более крупный образец для генетического тестирования, что облегчает идентификацию типа присутствующих бактерий или вирусов. В космосе предпочтительнее нацеливаться на определенные молекулярные фрагменты вирусов или бактерий, а не выращивать живую культуру - процесс, часто используемый на Земле.

"Если вы выращиваете микробы в космосе, это означает, что даже одна клетка превратится в миллиарды клеток. Одна клетка не принесет никакого вреда здоровью человека, но выращивать эту одну клетку в закрытой системе опасно", - сказал Венкатешваран. Крошечные микробы найти сложно, поэтому НАСА провело небольшое исследование, чтобы выяснить, что живет на космической станции.

Одно исследование требовало, чтобы астронавты протирали поверхности стерильными тряпками перед отправкой на Землю. По прибытии в лабораторию тряпки прополаскивали в большом количестве воды, полученную жидкость фильтровали, а микробы концентрировали в небольшом количестве жидкости для тестирования. Технология SBIR была предназначена для концентрации вирусов и бактерий, сокращая время и затраты, необходимые для получения результатов.

InnovaPrep использовала свою предыдущую конструкцию пипетки для работы SBIR, но строгие требования НАСА к фильтрации вынудили компанию искать новый материал. Тестирование показало, что лучшим вариантом является половолоконный материал, состоящий из 72 крошечных соломинок, которые составляют часть фильтра внутри пипетки. Чем лучше фильтр, тем больше вирусных и бактериальных клеток улавливается в образце.

Затем компания автоматизировала нанесение клея, удерживающего фильтры на месте. Это улучшило производительность и надежность устройства и стало первым шагом на пути к улучшению производства.

Очистка аппаратного обеспечения марсохода «Персеверанс» — это один из шагов в стратегии НАСА по планетарной защите, направленной на ограничение количества земных микробов, направляющихся на Марс. В чистой комнате Лаборатории реактивного движения, одном из самых чистых мест на планете, были разработаны процедуры с использованием технологии InnovaPrep для проверки наличия микробов на поверхности перед полетом. (Изображение:НАСА)

Требования НАСА также побудили InnovaPrep улучшить качество пенящейся жидкости, удаляющей захваченные микробы из фильтра.

Для концентрации пробы при подготовке к анализу, включая ПЦР-тест, пипетка с фильтром улавливает молекулы и микробы, взвешенные в пробе воды. На следующем этапе, называемом элюированием влажной пеной, пенящаяся жидкость проталкивается в пипетку через внутреннюю поверхность фильтра для извлечения микроорганизмов или загрязнений из жидкого образца. Это помещает их во флакон, готовый к тестированию.

Заявка НАСА потребовала внесения изменений в процесс для работы в космосе, а также увеличения срока хранения элюирующей жидкости. Канистры с жидкостью были модифицированы для дозирования жидкости в условиях микрогравитации и хранения в течение года или более перед использованием. При некоторой доработке InnovaPrep удовлетворила все требования НАСА.

Система биоконцентрации, созданная для невесомости, еще не использовалась на космической станции, но компании на Земле экономят время и деньги за счет модернизации технологий. Одним из преимуществ оборудования для мониторинга воды и воздуха, которое предлагает InnovaPrep, является простота использования. В отличие от выращивания культур в лаборатории, специальной подготовки не требуется.

Это не просто отслеживание пандемии, требующее концентрации и тестирования патогенов. На объектах отдыха используется технология InnovaPrep для контроля качества воды в бассейнах. Больницы используют его для проверки внутренних помещений, чтобы сохранить их как можно более стерильными. Вода из градирен и муниципальных систем водоснабжения регулярно проверяется на легионеллу. бактерии, которые могут вызвать тяжелую форму пневмонии.

Фермеры проверяют поливную воду на наличие патогенов, а производители продуктов питания контролируют промывку продукции и оборудования, чтобы исключить болезни пищевого происхождения. Концентратор InnovaPrep FluidPrep, который сейчас используется на предприятиях, настолько эффективен, что JPL разработала серию протоколов для чистых помещений с использованием этого коммерческого устройства.

Когда НАСА отправляет оборудование на другие планетные тела, технологи стараются сделать его максимально чистым. Цель состоит в том, чтобы удалить с Земли микроскопических автостопщиков, чтобы ограничить возможности заражения. Сотрудники чистых помещений используют квадратный кусок стерильной ткани площадью три фута, чтобы протирать большие поверхности, удаляя как можно больше биоматериала.

"Если вы увеличиваете площадь собираемой поверхности, то, очевидно, вы увеличиваете количество используемой жидкости. И вам придется выполнять громоздкую фильтрацию", - сказал Венкатешваран. "Все материалы не должны содержать ДНК, поэтому мы попросили InnovaPrep разработать продукт, который был бы более стерильным, чем тот, что у них был. Они разработали технологию, гарантирующую, что их продукты не содержат биомолекул".

Опубликованное исследование, подтверждающее эффективность процедур чистых помещений, помогло InnovaPrep привлечь новых клиентов, которым требуется стерильная среда. Но самая большая клиентская база InnovaPrep по-прежнему связана с контролем сточных вод.

Для получения дополнительной информации посетите здесь  .