Микробы, которые используются в здравоохранении, сельском хозяйстве или других целях, должны быть способны выдерживать экстремальные условия, а в идеале и производственные процессы, используемые для изготовления таблеток для длительного хранения. Исследователи Массачусетского технологического института разработали новый способ сделать микробы достаточно выносливыми, чтобы выдерживать эти экстремальные условия.
Их метод заключается в смешивании бактерий с пищевыми и лекарственными добавками из списка соединений, которые FDA классифицирует как «в целом считающиеся безопасными». Исследователи определили формулы, которые помогают стабилизировать несколько различных типов микробов, включая дрожжи и бактерии, и показали, что эти формулы могут выдерживать высокие температуры, радиацию и промышленную обработку, которые могут повредить незащищенным микробам.
В ходе еще более экстремального испытания некоторые микробы недавно вернулись из полета на Международную космическую станцию, который координировала менеджер по науке и исследованиям Космического центра в Хьюстоне Филлис Фриелло, и теперь исследователи анализируют, насколько хорошо микробы смогли выдержать эти условия.
«Этот проект был посвящен стабилизации организмов для экстремальных условий. Мы действительно думаем о широком спектре приложений, будь то миссии в космос, применение человеком или использование в сельском хозяйстве», — говорит старший автор исследования Джованни Траверсо из Массачусетского технологического института.
Мигель Хименес, бывший научный сотрудник Массачусетского технологического института, а ныне доцент кафедры биомедицинской инженерии в Бостонском университете, является ведущим автором статьи, опубликованной в журнале Nature Materials .
Около шести лет назад лаборатория Траверсо начала работать над новыми подходами, чтобы сделать полезные бактерии, такие как пробиотики и микробные терапевтические средства, более устойчивыми. В качестве отправной точки исследователи проанализировали 13 коммерчески доступных пробиотиков и обнаружили, что шесть из этих продуктов не содержали столько живых бактерий, сколько было указано на этикетке.
«Мы обнаружили, что — возможно, это неудивительно — разница есть, и она может быть значительной», — говорит Траверсо. «И тогда следующим вопросом было, что мы можем сделать, чтобы исправить ситуацию?»
Для своих экспериментов исследователи выбрали четыре разных микроба: три бактерии и один дрожжевой грибок. Этими микробами являются Escherichia coli Nissle 1917, пробиотик; Ensifer meliloti, бактерия, которая может фиксировать азот в почве для поддержки роста растений; Lactobacillus plantarum, бактерия, используемая для ферментации пищевых продуктов; и дрожжи Saccharomyces boulardii, которые также используются в качестве пробиотика.
Когда микробы используются в медицинских или сельскохозяйственных целях, их обычно высушивают в порошок с помощью процесса, называемого лиофилизацией. Однако их обычно нельзя превратить в более полезные формы, такие как таблетки или пилюли, поскольку этот процесс требует воздействия органического растворителя, который может быть токсичным для бактерий. Команда MIT приступила к поиску добавок, которые могли бы улучшить способность микробов выживать при таком виде обработки.
«Мы разработали рабочий процесс, в рамках которого мы можем брать материалы из списка материалов, «в целом считающихся безопасными» FDA, смешивать и сопоставлять их с бактериями и спрашивать, есть ли ингредиенты, которые повышают стабильность бактерий в процессе лиофилизации?» — говорит Траверсо.
Их установка позволяет им смешивать микробы с одним из примерно 100 различных ингредиентов, а затем выращивать их, чтобы увидеть, какие из них лучше всего выживают при хранении при комнатной температуре в течение 30 дней. Эти эксперименты выявили различные ингредиенты, в основном сахара и пептиды, которые лучше всего подходят для каждого вида микробов.
Затем исследователи выбрали один из микробов, E. coli Nissle 1917, для дальнейшей оптимизации. Этот пробиотик использовался для лечения «диареи путешественников», состояния, вызванного употреблением воды, загрязненной вредными бактериями. Исследователи обнаружили, что если они объединят кофеин или дрожжевой экстракт с сахаром, называемым мелибиозой, они могут создать очень стабильную формулу E. coli Nissle 1917.
Эта смесь, которую исследователи назвали формулой D, обеспечивала выживаемость более 10% микробов после хранения в течение шести месяцев при температуре 37 градусов по Цельсию, в то время как коммерчески доступная формула E. coli Nissle 1917 теряла всю жизнеспособность всего через 11 дней хранения в тех же условиях.
Формула D также смогла выдержать гораздо более высокие уровни ионизирующего излучения, до 1000 грей. (Типичная доза радиации на Земле составляет около 15 микрогрей в день, а в космосе — около 200 микрогрей в день.)
Исследователи не знают точно, как их формулы защищают бактерии, но они предполагают, что добавки могут помочь стабилизировать мембраны бактериальных клеток во время регидратации.
Затем исследователи показали, что эти микробы не только могут выживать в суровых условиях, но и сохраняют свою функцию после этих воздействий. После того, как Ensifer meliloti подверглись воздействию температур до 50 градусов по Цельсию, исследователи обнаружили, что они все еще способны образовывать симбиотические клубеньки на корнях растений и преобразовывать азот в аммиак.
Они также обнаружили, что их формула E. coli Nissle 1917 способна подавлять рост Shigella flexneri, одной из основных причин смерти, связанной с диареей, в странах с низким и средним уровнем дохода, когда микробы выращивались вместе в лабораторной чашке Петри.
В прошлом году несколько штаммов этих микробов- экстремофилов были отправлены на Международную космическую станцию, что Хименес называет «испытанием на прочность».
«Даже сама доставка на Землю для предполетной проверки и хранения до полета являются частью этого испытания, без какого-либо контроля температуры на этом пути», — говорит он.
Образцы недавно вернулись на Землю, и лаборатория Хименеса сейчас их анализирует. Он планирует сравнить образцы, которые хранились внутри МКС, с другими, которые были прикреплены снаружи станции, а также контрольными образцами, которые остались на Земле.
