Fortschrittliche Keimtests auf der ISS verbessern Abwasserüberwachung auf der Erde

Nachdem die Tücher, mit denen die Raumstation abgewischt wurde, auf der Erde ankamen, wurden sie in dem hier zu sehenden Wasserglas mit orangefarbenem Deckel gespült, um Mikroben zu entfernen. Die Flüssigkeit wurde dann in dieser Phiole (Inset) für Tests mit dem CP Select-System von InnovaPrep konzentriert. (Bild: NASA)

Von der Raumstation zur Pandemieüberwachung

Die Verfolgung der Ausbreitung von COVID-19 durch Gemeinden lieferte entscheidende Daten für Gesundheitsbehörden und Einzelpersonen, um während der Pandemie informierte Entscheidungen zu treffen. Eine sich als nützlich erwiesene Methode war das Sammeln, Konzentrieren und Testen von kommunalem Abwasser auf das Virus. Als diese Tests hochgefahren wurden, sparte eine für die NASA entwickelte Technologie zur Identifizierung von Krankheitserregern in Raumfahrzeugen Zeit und lieferte verlässliche Ergebnisse auf der Erde.

NASA-Astronautin Megan McArthur sammelt mikrobielle Proben von Oberflächen in der Raumstation, um Mikroben im Zusammenhang mit geschlossener Habitation zu untersuchen und vorherzusagen, welche die Crewgesundheit gefährden könnten. (Bild: NASA)

SBIR-Förderung beschleunigt Entwicklung

Mehrere Small Business Innovation Research (SBIR)-Verträge, die einige Jahre zuvor vergeben wurden, halfen InnovaPrep LLC aus Drexel, MO, seinen bestehenden Biokonzentrationsprozess zu verbessern und für automatisierte Tests von Viren, Bakterien und anderen Krankheitserregern in Luft, Wasser und auf Oberflächen der Internationalen Raumstation anzuwenden. Neben der Verwendung eines neuen Filtermaterials, der Prozessverbesserung und der Anpassung für den Weltraum entwickelte das Unternehmen neue Fertigungsschritte zur teilweisen Automatisierung der Produktion. Vor der SBIR-Arbeit baute das Unternehmen die Einwegfilter (Pipetten) von Hand – etwa 200 pro Woche. Jetzt beträgt die Ausgabe 12.000 pro Woche mit einem System, das sich leicht skalieren lässt.

Die verbesserte Produktion kam genau rechtzeitig. InnovaPrep konnte die Aufträge von Gesundheitsbehörden, kommerziellen Laboren und Forschern problemlos erfüllen, als COVID-19-Überwachungsmaßnahmen eingeführt wurden. Andy Page, CTO von InnovaPrep, schreibt der NASA die Fähigkeit des Unternehmens zu, seine AirPrep- und FluidPrep-Produktlinien voranzutreiben, zu.

„Wir hatten viel guten Austausch mit NASA-Wissenschaftlern, die viele wertvolle Einblicke gaben. Diese Zusammenarbeit ist super-wertvoll“, sagte er. „Das SBIR-Programm ermöglicht es, Dinge zu entdecken, die man ohne diese Finanzierung nicht so leicht entdecken würde.“

Herausforderungen im Weltraum: Krankheitserreger in Mikrogravitation

Krankheitserreger, einschließlich einiger Bakterien und Viren, können in der Schwerelosigkeit schädlicher werden. Die Sicherheit eines Raumschiffs für Astronauten erfordert daher Wachsamkeit. Doch Probenentnahme und Tests sind zeitaufwändig. Das Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien leitete die Bemühungen, dies durch Automatisierung effizienter zu machen, wobei Kasthuri „Venkat“ Venkateswaran, Senior Research Scientist am JPL, mit InnovaPrep zusammenarbeitete, um dessen Probenkonzentrationstechnologie für den Weltraum anzupassen.

Die Konzentration von Mikroben in Gallonen Wasser auf wenige Unzen für Tests könnte zeitaufwändig sein. Doch das spezialisierte InnovaPrep-Filtrationssystem CP Select, das von NASA-Expertise profitierte, kann das auf der Erde schnell erledigen. (Bild: InnovaPrep LLC)

PCR-Tests und mikrobielle Gefahren im Weltraum

Eine Option für schnellere Ergebnisse ist der Polymerase-Kettenreaktions-Test (PCR). PCR vervielfacht kleine Segmente genetischen Materials – DNA oder RNA – indem es viele Kopien erstellt. Dies liefert eine größere Probe für Gentests und erleichtert die Identifizierung der Bakterien- oder Virustypen. Das gezielte Anvisieren spezifischer molekularer Fragmente von Viren oder Bakterien ist im Weltraum vorzuziehen gegenüber dem Anzüchten lebender Kulturen, ein auf der Erde häufig verwendeter Prozess.

„Wenn Sie Mikroben im Weltraum züchten, bedeutet das, dass sogar eine Zelle zu Milliarden wird. Eine Zelle schadet der menschlichen Gesundheit nicht, aber das Züchten dieser einen Zelle in einem geschlossenen System ist gefährlich“, sagte Venkateswaran. Winzige Mikroben sind schwer zu finden, daher forschte die NASA, was auf der Raumstation lebt.

Eine Studie erforderte, dass Astronauten Oberflächen mit sterilen Tüchern abwischten, bevor diese zur Erde geschickt wurden. Im Labor wurden die Tücher in viel Wasser gespült, die Flüssigkeit gefiltert und die Mikroben in eine kleine Flüssigkeitsmenge für Tests konzentriert. Die SBIR-Technologie sollte Viren und Bakterien konzentrieren und die Zeit und Kosten für Ergebnisse reduzieren.

Neue Filtermaterialien und Automatisierung

InnovaPrep nutzte seine vorherige Pipettenstruktur für die SBIR-Arbeit, aber die anspruchsvollen Filtrationsanforderungen der NASA zwangen das Unternehmen, nach einem neuen Material zu suchen. Tests zeigten, dass die beste Option ein Hohlfasermaterial war, das aussieht wie 72 winzige Strohhalme, die den Filter in der Pipette bilden. Ein besserer Filter bedeutet, dass mehr virale und bakterielle Zellen pro Probe erfasst werden.

Das Unternehmen automatisierte dann die Auftragung des Klebstoffs, der die Filter hält. Dies verbesserte Leistung und Zuverlässigkeit des Geräts und war ein erster Schritt zur Produktionsverbesserung.

Das Abwischen der Hardware des Perseverance-Rovers ist ein Schritt in der Planetary-Protection-Strategie der NASA, um die Anzahl der Erdmikroben, die zum Mars gelangen, zu begrenzen. Das JPL-Reinraum-Labor, einer der saubersten Orte der Erde, entwickelte Verfahren mit InnovaPrep-Technologie, um vor dem Flug nach eventuell verbliebenen Mikroben auf der Oberfläche zu suchen. (Bild: NASA)

Verbesserte Elutionsflüssigkeit für Weltraumbedingungen

NASA-Anforderungen veranlassten InnovaPrep auch, die Qualität eines Schaumflüssigkeits zu verbessern, die eingeschlossene Mikroben vom Filter löst.

Zur Konzentration einer Probe für Analysen – einschließlich PCR-Tests – fängt eine Pipette mit Filter Moleküle und Mikroben aus einer Wasserprobe ein. Der nächste Schritt, die nasse Schaumelution, drückt die Schaumflüssigkeit in die Pipette, über die innere Filteroberfläche, um Organismen oder Kontaminanten aus der Flüssigkeitsprobe zu lösen. Diese werden in ein Fläschchen gedrückt, bereit für Tests.

NASAs Anwendung erforderte Modifikationen für die Funktion im Weltraum sowie eine längere Haltbarkeit der Elutionsflüssigkeit. Die Flüssigkeitsbehälter wurden so modifiziert, dass sie die Flüssigkeit in Mikrogravitation dosieren und ein Jahr oder länger lagern können, bevor sie verwendet werden. Mit einiger Arbeit erfüllte InnovaPrep alle NASA-Anforderungen.

Erdgebundene Anwendungen: Von Schwimmbädern bis zur Lebensmittelsicherheit

Das für die Schwerelosigkeit entwickelte Biokonzentrationssystem wurde noch nicht auf der Raumstation eingesetzt, aber Unternehmen auf der Erde sparen mit den Technologie-Upgrades Zeit und Geld. Ein Vorteil der Wasser- und Luftüberwachungsgeräte von InnovaPrep ist ihre einfache Handhabung. Im Gegensatz zum Anzüchten von Kulturen im Labor ist keine spezielle Schulung erforderlich.

Nicht nur die Pandemieverfolgung erfordert Konzentration und Testung von Krankheitserregern. Freizeiteinrichtungen nutzen InnovaPrep-Technologie zur Überwachung der Wasserqualität in Schwimmbädern. Krankenhäuser nutzen sie, um Innenräume so steril wie möglich zu halten. Wasser aus Kühltürmen und kommunalen Wassersystemen wird regelmäßig auf Legionella-Bakterien getestet, die eine schwere Lungenentzündung verursachen können.

Landwirte testen Bewässerungswasser auf Krankheitserreger, und Lebensmittelhersteller überwachen Produkts und Gerätespülungen, um lebensmittelbedingte Krankheiten zu eliminieren. Der InnovaPrep FluidPrep-Konzentrator, der jetzt von Unternehmen genutzt wird, ist so effizient, dass das JPL eine Reihe von Reinraumprotokollen mit dem kommerziellen Gerät entwickelte.

Planetary Protection: Saubere Hardware für den Mars

Wenn die NASA Hardware zu anderen Planeten sendet, versuchen Technologen, sie so sauber wie möglich zu machen. Die Absicht ist, mikroskopische Mitfahrer von der Erde zu entfernen, um Kontaminationsmöglichkeiten zu begrenzen. Reinraum-Mitarbeiter wischen große Flächen mit einem 90x90 cm großen sterilen Tuch ab und entfernen so viel Biomaterial wie möglich.

„Wenn Sie die Sammeloberfläche vergrößern, erhöhen Sie offensichtlich die verwendete Flüssigkeit. Und Sie müssen umständlich filtern“, sagte Venkateswaran. „Das gesamte Material muss DNA-frei sein, also baten wir InnovaPrep, ein Produkt zu entwickeln, das steriler ist als das, was sie hatten. Sie entwickelten die Technologie, um sicherzustellen, dass ihre Produkte frei von Biomolekülen sind.“

Die veröffentlichte Forschung zur Wirksamkeit der Reinraumverfahren half InnovaPrep, neue Kunden zu gewinnen, die eine sterile Umgebung benötigen. Doch die größte Kundenbasis von InnovaPrep bleibt die Abwasserüberwachung.

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