Ingenieure finden einen Weg, Mikroben vor extremen Bedingungen zu schützen

Mikroben, die im Gesundheitswesen, in der Landwirtschaft oder anderen Anwendungen eingesetzt werden, müssen extremen Bedingungen und im Idealfall auch den Herstellungsprozessen zur Herstellung von Tabletten für die Langzeitlagerung standhalten. MIT-Forscher haben nun eine neue Methode entwickelt, um Mikroben robust genug zu machen, um diesen extremen Bedingungen standzuhalten.

Ihre Methode besteht darin, Bakterien mit Lebensmittel- und Pharmazusätzen aus einer Liste von Verbindungen zu vermischen, die von der FDA als „allgemein als sicher“ eingestuft werden. Die Forscher identifizierten Formulierungen, die dabei helfen, verschiedene Arten von Mikroben, darunter Hefen und Bakterien, zu stabilisieren, und zeigten, dass diese Formulierungen hohen Temperaturen, Strahlung und industriellen Behandlungen standhalten können, die ungeschützte Mikroben schädigen können.

In einem noch extremeren Test kehrten einige Mikroben kürzlich von einer Reise zur Internationalen Raumstation zurück, die von Phyllis Friello, Leiterin für Wissenschaft und Forschung am Houston Space Center, koordiniert wurde. Forscher analysieren nun, inwieweit die Mikroben dem standgehalten haben diese Bedingungen.

„Dieses Projekt zielte darauf ab, Organismen unter extremen Bedingungen zu stabilisieren. Wir stellen uns ein breites Anwendungsspektrum vor, sei es Weltraummissionen, menschliche Anwendungen oder landwirtschaftliche Nutzungen“, sagt Giovanni Traverso, außerordentlicher Professor für Maschinenbau am MIT, Gastroenterologe am Brigham and Women’s Hospital und Hauptautor der Studie.

Miguel Jimenez, ein ehemaliger MIT-Forschungswissenschaftler, der jetzt Assistenzprofessor für Biomedizintechnik an der Boston University ist, ist der Hauptautor des Artikels, der in erscheint Natürliche Materialien.

Überlebe extreme Bedingungen

Vor etwa sechs Jahren begann Traversos Labor mit der Arbeit an neuen Ansätzen, um nützliche Bakterien wie Probiotika und mikrobielle Therapien widerstandsfähiger zu machen. Zunächst analysierten die Forscher 13 im Handel erhältliche Probiotika und stellten fest, dass sechs der Produkte nicht so viele lebende Bakterien enthielten, wie auf dem Etikett angegeben.

„Es überrascht nicht, dass es einen Unterschied gibt, der erheblich sein kann“, sagt Traverso. „Die nächste Frage war also, was wir tun könnten, um die Situation zu verbessern. »

Für ihre Experimente konzentrierten sich die Forscher auf vier verschiedene Mikroben: drei Bakterien und eine Hefe. Bei diesen Mikroben handelt es sich um Escherichia coli Nissle 1917, ein Probiotikum; Ensifer meliloti, ein Bakterium, das Stickstoff im Boden binden kann, um das Pflanzenwachstum zu fördern; Lactobacillus plantarum, ein Bakterium, das zur Fermentierung von Lebensmitteln verwendet wird; und die Hefe Saccharomyces boulardii, die auch als Probiotikum verwendet wird.

Wenn Mikroben für medizinische oder landwirtschaftliche Zwecke verwendet werden, werden sie normalerweise getrocknet und durch einen Prozess namens Gefriertrocknung zu Pulver verarbeitet. Sie können jedoch im Allgemeinen nicht zu Tabletten oder Pillen verarbeitet werden, da dieser Prozess den Kontakt mit einem organischen Lösungsmittel erfordert, das für Bakterien giftig sein kann. Das MIT-Team machte sich auf die Suche nach Zusatzstoffen, die die Überlebensfähigkeit der Mikroben bei dieser Art von Behandlung verbessern könnten.

„Wir haben einen Arbeitsablauf entwickelt, der es uns ermöglicht, Materialien aus der ‚allgemein als sicher‘ eingestuften Materialliste der FDA zu nehmen, sie mit Bakterien zu mischen und zu fragen, ob es Inhaltsstoffe gibt, die die Stabilität von Bakterien während des Gefriertrocknungsprozesses verbessern? » erklärt Traverso.

Ihr Gerät ermöglicht es ihnen, Mikroben mit einer von 100 verschiedenen Zutaten zu mischen und sie dann zu kultivieren, um zu sehen, welche am besten überleben, wenn sie 30 Tage lang bei Raumtemperatur gelagert werden. Diese Experimente ergaben, dass unterschiedliche Inhaltsstoffe, hauptsächlich Zucker und Peptide, für jede Mikrobenart am besten geeignet waren.

Anschließend wählten die Forscher einen der Mikroben, E. coli Nissle 1917, zur weiteren Optimierung aus. Dieses Probiotikum wird zur Behandlung von „Reisedurchfall“ eingesetzt, einer Krankheit, die durch mit schädlichen Bakterien verunreinigtes Trinkwasser verursacht wird. Forscher fanden heraus, dass sie durch die Kombination von Koffein oder Hefeextrakt mit einem Zucker namens Melibiose eine sehr stabile Formulierung von E. coli herstellen konnten. coli Nissle 1917.

Diese Mischung, die die Forscher Formulierung D nannten, erreichte Überlebensraten von über 10 %, nachdem die Mikroben sechs Monate lang bei 37 Grad Celsius gelagert wurden, während eine kommerzielle Formulierung von E. coli Nissle 1917 verlor unter diesen Bedingungen bereits nach 11 Tagen jegliche Lebensfähigkeit.

Formula D war auch in der Lage, viel höheren Werten ionisierender Strahlung standzuhalten, bis zu 1.000 Graustufen. (Die typische Strahlungsdosis auf der Erde beträgt etwa 15 Mikrogray pro Tag und im Weltraum etwa 200 Mikrogray pro Tag.)

Die Forscher sind sich nicht sicher, wie ihre Formulierungen die Bakterien schützen, sie gehen jedoch davon aus, dass die Zusatzstoffe dazu beitragen könnten, die Zellmembranen der Bakterien während der Rehydrierung zu stabilisieren.

Stresstests

Anschließend zeigten die Forscher, dass diese Mikroben nicht nur raue Bedingungen überstehen, sondern auch nach diesen Belastungen ihre Funktion aufrechterhalten können. Nachdem sie Ensifer meliloti Temperaturen von bis zu 50 Grad Celsius ausgesetzt hatten, stellten die Forscher fest, dass sie immer noch in der Lage waren, symbiotische Knötchen an Pflanzenwurzeln zu bilden und Stickstoff in Ammoniak umzuwandeln.

Sie entdeckten auch, dass ihre Formulierung von E. coli Nissle 1917 konnte das Wachstum von Shigella flexneri, einer Hauptursache für durchfallbedingte Todesfälle in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen, hemmen, wenn die Mikroben in einer Laborschale zusammengezüchtet wurden.

Letztes Jahr wurden mehrere Stämme dieser extremophilen Mikroben zur Internationalen Raumstation geschickt, was Jimenez als „den ultimativen Stresstest“ bezeichnet.

„Sogar der einfache Transport auf der Erde bis zur Validierung vor dem Flug sowie die Lagerung bis zum Flug sind Teil dieses Tests, ohne dass es unterwegs zu Temperaturkontrollen kommt“, erklärt er.

Die Proben sind kürzlich zur Erde zurückgekehrt und Jimenez‘ Labor analysiert sie derzeit. Er plant, die in der ISS aufbewahrten Proben mit anderen zu vergleichen, die außerhalb der Station verschraubt wurden, und auch Proben zu kontrollieren, die auf der Erde verblieben sind.

Weitere Autoren des Artikels sind 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 Müller und James Byrne.

Dieser Artikel wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News (web.mit.edu/newsoffice/) erneut veröffentlicht, einer beliebten Website, die über Neuigkeiten in den Bereichen Forschung, Innovation und Bildung am MIT berichtet.