Las pruebas avanzadas de gérmenes en la estación espacial mejoran el monitoreo de aguas residuales

Después de que los paños utilizados para limpiar la estación espacial llegaron a la Tierra, se enjuagaron en la jarra de agua que se ve aquí con una tapa naranja para eliminar los microbios. Luego, ese líquido se concentró en este vial (inserto) para realizar pruebas con el sistema CP Select de InnovaPrep. (Imagen:NASA)

El seguimiento de la propagación de la COVID-19 en las comunidades proporcionó datos esenciales para que los funcionarios de salud pública y las personas tomaran decisiones informadas durante la pandemia. Un método que resultó útil fue recolectar, concentrar y analizar las aguas residuales municipales para detectar la presencia del virus que causaba la enfermedad. A medida que se intensificaron estas pruebas, una tecnología desarrollada por la NASA para identificar patógenos dentro de naves espaciales ahorró tiempo y produjo resultados confiables en la Tierra.

La astronauta de la NASA Megan McArthur recolecta muestras microbianas de las superficies dentro de la estación espacial para estudiar los microbios asociados con la habitación cerrada y predecir aquellos que pueden representar una amenaza para la salud de la tripulación. (Imagen:NASA)

Varios contratos de Investigación de Innovación para Pequeñas Empresas (SBIR) otorgados unos años antes ayudaron a InnovaPrep LLC de Drexel, MO, a mejorar su proceso de bioconcentración existente y aplicarlo a pruebas automatizadas de virus, bacterias y otros patógenos en el aire y el agua y en las superficies de la Estación Espacial Internacional. Además de utilizar un nuevo material filtrante, mejorar el proceso y modificarlo según el espacio, la empresa desarrolló nuevos pasos de fabricación para semiautomatizar los procesos de producción. Antes del trabajo de SBIR, la empresa fabricaba a mano el filtro desechable, llamado pipeta, y producía alrededor de 200 por semana. Ahora la producción es de 12.000 por semana con un sistema que puede ampliarse fácilmente para satisfacer la mayor demanda.

La producción mejorada llegó justo a tiempo. InnovaPrep podría cumplir fácilmente los pedidos de los departamentos de salud pública, laboratorios comerciales e investigadores a medida que se implementaran los esfuerzos de monitoreo de COVID-19. Andy Page, director de tecnología de InnovaPrep, atribuye a la NASA la capacidad de la empresa para avanzar en sus líneas de productos AirPrep y FluidPrep.

"Tuvimos una muy buena interacción con los científicos de la NASA que proporcionaron muchos conocimientos interesantes. Esa colaboración es muy valiosa", dijo. "El programa SBIR te permite descubrir cosas que no podrás descubrir fácilmente sin esa financiación".

Los patógenos, incluidas algunas bacterias y virus, pueden volverse más dañinos en gravedad cero, por lo que mantener una nave espacial segura para los astronautas requiere vigilancia. Pero la recolección y prueba de muestras son tareas que requieren mucho tiempo. El Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en el sur de California lideró el esfuerzo para hacerlo más eficiente mediante la automatización, con Kasthuri “Venkat” Venkateswaran, investigador científico senior del JPL, trabajando con InnovaPrep para modificar su tecnología de concentración de muestras para el espacio.

Concentrar los microbios en galones de agua hasta unas pocas onzas para realizar pruebas podría ser una tarea que requiere mucho tiempo. Pero el sistema de filtración especializado InnovaPrep llamado CP Select, que se benefició de la experiencia de la NASA, puede hacer precisamente eso rápidamente en la Tierra. (Imagen:InnovaPrep LLC)

Una opción para permitir resultados más rápidos es una prueba de reacción en cadena de la polimerasa (PCR). La PCR amplifica rápidamente pequeños segmentos de material genético (ADN o ARN) haciendo muchas copias. Esto crea una muestra más grande para pruebas genéticas, lo que facilita la identificación del tipo de bacteria o virus presente. Es preferible apuntar a fragmentos moleculares específicos de virus o bacterias en el espacio en lugar de cultivar un cultivo vivo, un proceso que se utiliza con frecuencia en la Tierra.

"Si se cultivan microbios en el espacio, eso significa que incluso una célula se convertirá en miles de millones de células. Una célula no causará ningún daño a la salud humana, pero cultivar esa célula en un sistema cerrado es peligroso", dijo Venkateswaran. Los microbios diminutos son difíciles de encontrar, por lo que la NASA investigó un poco para descubrir qué vivía en la estación espacial.

Un estudio requirió que los astronautas limpiaran las superficies con paños esterilizados antes de enviarlas a la Tierra. Una vez en el laboratorio, los paños se enjuagaron con una gran cantidad de agua, el líquido resultante se filtró y los microbios se concentraron en una pequeña cantidad de líquido para realizar pruebas. La tecnología SBIR estaba destinada a concentrar virus y bacterias, reduciendo el tiempo y el costo necesarios para obtener resultados.

InnovaPrep utilizó su estructura de pipeta anterior para el trabajo SBIR, pero los exigentes requisitos de filtración de la NASA obligaron a la empresa a buscar un nuevo material. Las pruebas mostraron que la mejor opción era un material de fibra hueca hecho de lo que parecen 72 pajitas diminutas, que forman parte del filtro dentro de la pipeta. Un mejor filtro significa que se capturan más células virales y bacterianas por muestra.

Luego, la empresa automatizó la aplicación del pegamento que mantiene los filtros en su lugar. Esto mejoró el rendimiento y la confiabilidad del dispositivo y al mismo tiempo sirvió como un primer paso hacia una producción mejorada.

Limpiar el hardware del rover Perseverance es un paso en la estrategia de Protección Planetaria de la NASA para limitar la cantidad de microbios terrestres que van a Marte. La sala limpia del Jet Propulsion Laboratory, uno de los lugares más limpios del planeta, desarrolló procedimientos utilizando la tecnología InnovaPrep para comprobar si quedan microbios en la superficie antes del vuelo. (Imagen:NASA)

Los requisitos de la NASA también llevaron a InnovaPrep a mejorar la calidad de un líquido espumoso que elimina los microbios atrapados en el filtro.

Para concentrar una muestra en preparación para el análisis, incluida la prueba de PCR, una pipeta que contiene el filtro captura moléculas y microbios suspendidos en una muestra de agua. El siguiente paso, llamado elución de espuma húmeda, empuja el líquido espumoso hacia la pipeta, a través de la superficie interna del filtro para recuperar los organismos o contaminantes de una muestra líquida. Esto los empuja hacia un vial, listos para la prueba.

La solicitud de la NASA requirió modificaciones en el proceso para funcionar en el espacio, junto con una vida útil más larga para el fluido de elución. Los recipientes de líquido se modificaron para dispensar el líquido en microgravedad y reposar durante un año o más antes de usarse. Con algo de trabajo, InnovaPrep cumplió todos los requisitos de la NASA.

El sistema de bioconcentración creado para la gravedad cero aún no se ha utilizado en la estación espacial, pero las empresas en la Tierra están ahorrando tiempo y dinero con las actualizaciones tecnológicas. Una ventaja del equipo de monitoreo de agua y aire que ofrece InnovaPrep es que es fácil de usar. A diferencia del cultivo de cultivos en un laboratorio, no se requiere capacitación especial.

No es sólo el seguimiento de una pandemia lo que requiere la concentración y prueba de patógenos. Las instalaciones recreativas utilizan la tecnología InnovaPrep para controlar la calidad del agua en las piscinas. Los hospitales lo utilizan para proteger los espacios interiores y mantenerlos lo más estériles posible. El agua de las torres de refrigeración y los sistemas de agua municipales se analiza periódicamente para detectar legionella. bacterias, que pueden causar una forma grave de neumonía.

Los agricultores analizan el agua de riego en busca de patógenos y los fabricantes de alimentos monitorean los enjuagues de productos y equipos para eliminar enfermedades transmitidas por los alimentos. De hecho, el concentrador InnovaPrep FluidPrep que utilizan actualmente las empresas es tan eficiente que JPL desarrolló una serie de protocolos de sala limpia utilizando el dispositivo comercial.

Cuando la NASA envía hardware a otros cuerpos planetarios, los tecnólogos intentan asegurarse de que esté lo más limpio posible. La intención es eliminar a los autoestopistas microscópicos de la Tierra para limitar las oportunidades de contaminación. El personal de la sala blanca utiliza un paño esterilizado de tres pies cuadrados para limpiar superficies grandes y eliminar la mayor cantidad de biomateria posible.

"Si se aumenta la superficie a recolectar, obviamente se aumenta el líquido que se utiliza. Y hay que realizar un filtrado engorroso", dijo Venkateswaran. "Todo el material debe estar libre de ADN, por lo que le pedimos a InnovaPrep que creara un producto que fuera más estéril que el que tenían. Desarrollaron la tecnología para garantizar que sus productos estén libres de biomoléculas".

La investigación publicada que verifica la eficacia de los procedimientos de sala limpia ayudó a InnovaPrep a agregar nuevos clientes que requieren un ambiente estéril. Pero la mayor base de clientes de InnovaPrep sigue siendo la vigilancia de aguas residuales.

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