Pruebas avanzadas de gérmenes en la Estación Espacial mejoran la vigilancia de aguas residuales

Después de que los paños utilizados para limpiar la estación espacial llegaron a la Tierra, fueron enjuagados en el frasco de agua que se ve aquí con una tapa naranja para eliminar microbios. Ese líquido se concentró luego en este vial (inset) para pruebas mediante el sistema CP Select de InnovaPrep. (Imagen: NASA)

De la Estación Espacial a la vigilancia de COVID-19

El seguimiento de la propagación del COVID-19 a través de las comunidades proporcionó datos esenciales para que funcionarios de salud pública y personas tomaran decisiones informadas durante la pandemia. Un método que resultó útil fue la recolección, concentración y análisis de aguas residuales municipales para detectar la presencia del virus causante de la enfermedad. A medida que estas pruebas se intensificaron, una tecnología desarrollada para 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 superficies dentro de la estación espacial para estudiar los microbios asociados con la habitación cerrada y predecir aquellos que puedan representar una amenaza para la salud de la tripulación. (Imagen: NASA)

Contratos SBIR y mejoras en bioconcentración

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, el agua y en superficies de la Estación Espacial Internacional. Además de usar un nuevo material de filtro, mejorar el proceso y modificarlo para el espacio, la empresa desarrolló nuevos pasos de fabricación para semi-automatizar los procesos de producción. Antes del trabajo SBIR, la empresa construía a mano el filtro desechable, llamado pipeta, produciendo alrededor de 200 a la semana. Ahora la producción es de 12,000 por semana con un sistema que puede escalar fácilmente para satisfacer la demanda creciente.

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

"Tuvimos mucha interacción buena con científicos de la NASA que proporcionaron mucha buena perspectiva. Esa colaboración es súper valiosa", dijo. "El programa SBIR le permite descubrir cosas que no podría descubrir fácilmente sin esa financiación."

Desafíos de patógenos en gravedad cero

Los patógenos, incluyendo 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 consumen mucho tiempo. El Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en el sur de California lideró el esfuerzo para hacerlo más eficiente usando automatización, con Kasthuri "Venkat" Venkateswaran, Científico Investigador Senior en 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 pruebas podría ser una tarea que consume mucho tiempo. Pero el sistema de filtración especializado de InnovaPrep llamado CP Select, que se benefició de la experiencia de la NASA, puede hacer exactamente eso rápidamente en la Tierra. (Imagen: InnovaPrep LLC)

PCR y detección molecular en el espacio

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, facilitando la identificación del tipo de bacteria o virus presente. Dirigirse a fragmentos moleculares específicos de virus o bacterias es preferible en el espacio en lugar de cultivar un cultivo vivo, un proceso frecuentemente usado en la Tierra.

"Si está cultivando microbios en el espacio, eso significa que incluso una célula se convertirá en miles de millones de células. Una célula no hará ningún daño a la salud humana, pero cultivar esa única célula en un sistema cerrado es peligroso", dijo Venkateswaran. Los microbios diminutos son difíciles de encontrar, así que la NASA hizo algunas investigaciones para averiguar qué vivía en la estación espacial.

Proceso de concentración y avances tecnológicos

Un estudio requirió que los astronautas limpiaran superficies con paños estériles antes de enviarlos a la Tierra. Una vez en el laboratorio, los paños fueron enjuagados en una gran cantidad de agua, el líquido resultante fue filtrado y los microbios se concentraron en una pequeña cantidad de líquido para pruebas. La tecnología SBIR estaba destinada a concentrar virus y bacterias, reduciendo el tiempo y costo requeridos para obtener resultados.

InnovaPrep usó 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 componen parte del filtro dentro de la pipeta. Un mejor filtro significa que se capturan más células virales y bacterianas por muestra.

La empresa luego automatizó la aplicación de pegamento que sostiene los filtros en su lugar. Esto mejoró el rendimiento y la fiabilidad del dispositivo mientras servía como 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 el número de microbios terrestres que van a Marte. La sala limpia del Laboratorio de Propulsión a Chorro, uno de los lugares más limpios del planeta, desarrolló procedimientos usando tecnología InnovaPrep para verificar si quedaban microbios en la superficie antes del vuelo. (Imagen: NASA)

Los requisitos de la NASA también impulsaron a InnovaPrep a avanzar en la calidad de un líquido espumoso que elimina los microbios atrapados del filtro.

Para concentrar una muestra en preparación para análisis — incluyendo pruebas 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, listo para pruebas.

La aplicación de la NASA requería modificaciones al proceso para funcionar en el espacio, junto con una vida útil más larga para el fluido de elución. Los contenedores de líquido fueron modificados para dispensar el líquido en microgravedad y permanecer un año o más antes de ser usados. Con algo de trabajo, InnovaPrep cumplió todos los requisitos de la NASA.

Aplicaciones terrestres y beneficios

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

No solo el seguimiento de una pandemia requiere la concentración y prueba de patógenos. Las instalaciones recreativas usan tecnología InnovaPrep para monitorear la calidad del agua en piscinas. Los hospitales la usan para examinar espacios interiores y mantenerlos lo más estériles posible. El agua de torres de enfriamiento y sistemas municipales de agua se prueba regularmente para bacterias legionella, que pueden causar una forma severa de neumonía.

Los agricultores prueban agua de riego para patógenos, y los fabricantes de alimentos monitorean productos y enjuagues de equipos para eliminar enfermedades transmitidas por alimentos. El concentrador InnovaPrep FluidPrep ahora usado por empresas es tan eficiente, de hecho, que JPL desarrolló una serie de protocolos de sala limpia usando 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 microbios "polizones" de la Tierra para limitar oportunidades de contaminación. El personal de salas limpias usa un paño estéril de tres pies cuadrados para limpiar superficies grandes, eliminando la mayor cantidad posible de biomateria.

"Si aumenta el área de superficie para recolectar, entonces obviamente aumenta el líquido que usa. Y tiene que hacer un filtrado engorroso", dijo Venkateswaran. "Todo el material debe ser libre de ADN, así que le pedimos a InnovaPrep que ideara un producto más estéril de lo que tenían. Desarrollaron la tecnología para asegurar que sus productos estén libres de biomoléculas."

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

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