NASA araştırmacıları uzayda biyofilmle mücadele ediyor

NASA’nın Alabama eyaletine bağlı Huntsville kentindeki Marshall Uzay Merkezi’ndeki biyofilm azaltma ekibindeki küçük bir bilim insanı grubu, gelecekteki uzay görevlerinde biyofilm olarak bilinen hızla büyüyen bakteri veya mantar kolonileriyle mücadeleye yönelik çözümler üzerinde çalışıyor.

Biyofilm, bir bakteri veya mantar kümesinin olumsuz çevresel faktörlerden korunmak için “hücre dışı polimerik maddelerden” oluşan sümüksü bir matris oluşturmasıyla oluşur. Biyofilm, durgun gölet suyunda yüzen gri-yeşil köpükten kirli bir küvetteki pembemsi kalıntı halkasına kadar hemen hemen her yerde bulunabilir.

Tıbbi, gıda üretimi ve atık su işleme endüstrileri için biyofilm genellikle maliyetli bir sorundur. Ancak dünya dışında biyofilmin daha da dayanıklı olduğu kanıtlanmıştır.

Marshall’da mikrobiyolog ve çevre kontrol sistemleri mühendisi olan Yo-Ann Velez-Justiniano, “Bakteriler, mikro yer çekimi, basınç değişiklikleri, ultraviyole ışık, besin seviyeleri ve hatta radyasyon gibi uzayda insanların karşılaştığı zorlukların çoğunu göğüslüyor.” dedi.

“Biyofilm iğrenç, yapışkan ve öldürülmesi zor,” diyor Raleigh’deki Kuzey Carolina Eyalet Üniversitesi’nden kimya mühendisi ve NASA Pathways stajyeri Liezel Koellner. Koellner, ekibin çalışmalarını ince ayarlamak için farklı odak düzlemlerinde yakalanan 2B görüntülerin 3B görselleştirmeleri olan sofistike epifloresan mikroskopisini kullandı.

Biyofilmin gelecekteki Artemis dönemi uzay araçlarında ve ay yaşam alanlarında oluşturabileceği potansiyel engellerin farkında olan NASA, Marshall’daki mühendis ve kimyagerlere azaltma tekniklerini incelemeleri görevini verdi. Marshall, Uluslararası Uzay İstasyonu’nun ECLSS’sini (Çevre Kontrol ve Yaşam Destek Sistemi) inşa ediyor ve bakımını yapıyor ve sistemin atık su tankı tertibatı da dahil olmak üzere yeni nesil hava ve su geri kazanımı ve geri dönüşüm teknolojileri geliştiriyor.

“Atık su tankı, yerleşik su arıtma yöntemlerimizin çoğunun ‘yukarı akışında’dır. Atık su besleme tankı olduğu için bakteri ve mantarlar orada iyi büyür ve rota boyunca akış yollarını ve boruları tıkayacak kadar biyofilm üretir,” diyor Marshall’daki ECLSS test mühendisi Eric Beitle.

Bugüne kadar çözüm, parçalar biyofilmle tıkandığında eski donanımı çekip değiştirmekti. Ancak mühendisler bu tür taktiklere olan ihtiyacı ortadan kaldırmak istiyor.

Velez-Justiniano, “Ay veya Mars’ta 3 boyutlu yedek parça üretme olanağı olsa bile, ilk etapta biyofilm oluşumunu önleyecek stratejiler bulmak mantıklıdır” dedi.

Ekip, Haziran 2023’te ilk adımı atarak tam genom dizisi Uzay istasyonunun su geri kazanım sisteminden izole edilen ve hepsi biyofilm oluşumuna neden olan çeşitli bakteri türlerinin bir karışımı.

Daha sonra, yaklaşık 250 mil yukarıdaki atık su tankındaki koşulları simüle eden bir test standı tasarladılar; bu, birden fazla azaltma seçeneğinin eş zamanlı olarak incelenmesine olanak tanır. Platform, Hastalık Kontrol ve Önleme Merkezleri’ne ait sekiz biyofilm reaktörü barındırıyordu; bunlar, koşucunun su şişesinin büyüklüğünde silindirik cihazlardı ve her biri gerçek tankın 1/60’ı boyutundaydı.

Her biyoreaktör, gerçek veya yapay atık su akışında sürekli olarak yıkanan, otomatik sistem tarafından zamanlanan ve ölçülen ve ekip tarafından yakından izlenen slaytlarda 21’e kadar benzersiz test örneği tutar. Kompakt biyoreaktör boyutu nedeniyle, test standı haftada 2,1 galon yapay akışa ihtiyaç duyuyordu ve sekiz biyoreaktörün her birine dakikada 0,1 mililitre sürekli olarak akıyordu.

“Esasında, sıcaklık ve basınçta ufak değişikliklere izin vermesi, steril bir ortam sağlaması, otoklav işlevselliği sağlaması ve minimum insan müdahalesiyle haftalarca uyum içinde çalışması gereken küçük sistemlerden oluşan bir koleksiyon oluşturduk,” dedi Beitle. “Test serisinin bir aşaması 65 gün boyunca aralıksız çalıştı ve bir diğeri 77 gün sürdü. Mühendislik açısından benzersiz bir meydan okumaydı.”

Her biyoreaktöre farklı yüzey azaltma stratejileri, akış yukarısı karşıt maddeleri, antimikrobiyal kaplamalar ve sıcaklık seviyeleri tanıtıldı. Umut vadeden bir test, halihazırda bir bitki olarak bilinen su mercimeğiydi. doğal su arıtma sistemi ve toksinleri yakalama ve atık su kokusunu kontrol etme yeteneği nedeniyle. Biyoreaktörün yukarısındaki besinleri yiyerek, su mercimeği bakterilere gelişmek için ihtiyaç duyduğu şeyi reddetti ve biyofilm büyümesini %99,9’a kadar azalttı.

Üç aylık test süreci boyunca ekipler, her biyoreaktörden düzenli aralıklarla numuneler aldı ve her plakadaki biyofilm kolonisi oluşturan birimlerin ayrıntılı bir sayımını yapmak için mikroskop altında incelemeye hazırlandı.

“Bakteriler ve mantarlar akıllıdır,” dedi Velez-Justiniano. “Uyum sağlarlar. Bu zorluğun üstesinden gelmek için etkili biyofilm azaltma yöntemlerinin bir karışımının gerekeceğini biliyoruz.”

Biyofilm, yedek parçaların maliyetli veya elde edilmesinin zor olabileceği diğer dünyalardaki uzun süreli uzay uçuşları ve genişletilmiş görevler için bir engel teşkil eder. Biyofilm azaltma ekibi değerlendirmeye devam ediyor ve yayınla bulgularını akademik ve endüstri ortaklarıyla birlikte ele alacak ve Marshall’da tam ölçekli bir tank deneyi ile araştırmalarını ilerletecekler. Yörüngede gerçek mikro yerçekimi koşullarında çeşitli hafifletme yöntemleri deneyerek yüzeyleri temiz, suyu içilebilir ve gelecekteki kaşifleri sağlıklı tutmak için çözümler bulmak amacıyla uçuş testlerine geçmeyi umuyorlar.