Los microbios que se utilizan para aplicaciones sanitarias, agrícolas y de otro tipo deben poder soportar condiciones extremas e, idealmente, los procesos de fabricación utilizados para fabricar tabletas para almacenamiento a largo plazo. Los investigadores del MIT han desarrollado una nueva forma de hacer que los microbios sean lo suficientemente resistentes como para resistir estas condiciones extremas.
Su método consiste en mezclar la bacteria con aditivos alimentarios y farmacológicos de una lista de compuestos que, según la FDA, son “generalmente reconocidos como seguros”. Los investigadores identificaron formulaciones que ayudan a estabilizar varios tipos diferentes de microbios, incluidas levaduras y bacterias, y demostraron que estas formulaciones pueden soportar altas temperaturas, radiación y procesamiento industrial que pueden dañar a los microbios.
En una prueba aún más extrema, algunos microbios regresaron recientemente de un viaje a la Estación Espacial Internacional, coordinado por la gerente de ciencia e investigación del Centro Espacial de Houston, Phyllis Friello, y los investigadores ahora están analizando qué microbios podrían haberlos causado. ¿Podrán soportarlo? Las condiciones
“El objetivo de este proyecto es estabilizar organismos para condiciones extremas. Estamos pensando en un conjunto realmente amplio de aplicaciones, ya sean misiones espaciales, aplicaciones humanas o uso agrícola”, dice Giovanni Traverso, profesor asociado de ingeniería mecánica. gastroenterólogo del Brigham and Women’s Hospital del MIT y autor principal del estudio.
Miguel Jiménez, ex científico investigador del MIT y ahora profesor asistente de ingeniería biomédica en la Universidad de Boston, es el autor principal del artículo, que Materiales naturales.
Evita situaciones extremas
Hace unos seis años, con financiación del Instituto de Investigación Traslacional para la Salud Espacial (TRISH) de la NASA, el laboratorio de Traverso comenzó a trabajar en nuevas formas de hacer que las bacterias útiles, como los probióticos y los tratamientos microbianos, sean más resistentes. Como punto de partida, los investigadores analizaron 13 probióticos disponibles comercialmente y encontraron que seis de los productos no contenían tantas bacterias vivas como indicaba la etiqueta.
“Lo que encontramos fue que, tal vez no sea sorprendente, hay una diferencia y puede ser significativa”, dice Traverso. “Entonces la siguiente pregunta fue, dado esto, ¿qué podemos hacer para mejorar la situación?”
Para sus experimentos, los investigadores eligieron cuatro microbios diferentes en los que centrarse: tres bacterias y una levadura. Estos son microbios. Escherichia coli Race 1917, un probiótico; Ensifer melilotiUna bacteria que puede fijar nitrógeno en el suelo para ayudar al crecimiento de las plantas. Plantas de lactobacilos, una bacteria utilizada para fermentar productos alimenticios; y levadura Saccharomyces boulardiique también se utiliza como probiótico.
Cuando los microbios se utilizan para aplicaciones médicas o agrícolas, generalmente se secan hasta convertirlos en polvo mediante un proceso llamado liofilización. Sin embargo, generalmente no se pueden formular en formas más útiles, como tabletas o píldoras, porque el proceso requiere exposición a solventes orgánicos, que pueden ser tóxicos para las bacterias. El equipo del MIT se propuso encontrar aditivos que pudieran mejorar la capacidad de los microbios para evitar este tipo de procesamiento.
“Hemos desarrollado un flujo de trabajo en el que podemos tomar materiales de la lista de la FDA de materiales ‘generalmente considerados seguros’, mezclar y combinar los materiales con bacterias y preguntar, ¿son aquellos ingredientes que aumentan la estabilidad de las bacterias durante el proceso de liofilización? ?” dice Traverso.
Su configuración les permite mezclar microbios con uno de aproximadamente 100 ingredientes diferentes y luego cultivarlos para ver cuáles sobreviven mejor cuando se almacenan a temperatura ambiente por hasta 30 días. Estos experimentos revelaron diferentes ingredientes, principalmente azúcares y péptidos, que funcionaban mejor para cada especie microbiana.
Luego, los investigadores eligieron uno de los microbios, E. coli Generación 1917, para mayor refinamiento. Este probiótico se ha utilizado para tratar la “diarrea del viajero”, que es causada por beber agua contaminada con bacterias dañinas. Los investigadores descubrieron que si combinaban cafeína o extracto de levadura con un azúcar llamado malicosa, podían crear una formulación muy estable. E. coli Nissle 1917. Esta mezcla, que los investigadores denominaron formulación D, permitió a los microbios sobrevivir seis meses a 37 grados Celsius con una tasa de supervivencia de más del 10 por ciento, mientras que las formulaciones disponibles comercialmente E. coli Nissle 1917 perdió toda viabilidad en estas condiciones después de sólo 11 días.
La formulación D también pudo resistir niveles muy altos de radiación ionizante, hasta 1000 Gy. (Una dosis típica de radiación en la Tierra es de unos 15 microgramos por día, y en el espacio, de unos 200 microgramos por día).
Los investigadores no saben exactamente cómo sus formulaciones protegen a las bacterias, pero plantean la hipótesis de que ingredientes adicionales pueden ayudar a estabilizar las membranas celulares bacterianas durante la rehidratación.
Pruebas de estrés
Luego, los investigadores demostraron que estos microbios no solo podían sobrevivir a las duras condiciones sino también mantener su función después de estas exposiciones. después de la Ensifer meliloti Expuestos a temperaturas de hasta 50 grados centígrados, los investigadores descubrieron que aún podían formar nódulos sintomáticos en las raíces de las plantas y convertir el nitrógeno en amoníaco.
También descubrieron que su formación E. coli Nissle pudo detener el desarrollo de 1917. Shigella flexneriuna de las principales causas de muertes relacionadas con la diarrea en países de ingresos bajos y medios, cuando los microbios se recolectaron en una placa de laboratorio.
El año pasado, varias cepas de estos microbios extremistas fueron enviadas a la Estación Espacial Internacional, en lo que Jiménez describió como la “prueba de cepa definitiva”.
“Incluso la validación previa al vuelo únicamente en tierra y el almacenamiento hasta el vuelo son parte de la prueba, sin control de temperatura en el camino”, dice.
Las muestras fueron devueltas recientemente a la Tierra y el laboratorio de Jiménez las está analizando ahora. Planea comparar muestras colocadas dentro de la ISS con aquellas que fueron atornilladas fuera de la estación, así como muestras de control que quedaron en la Tierra.
La investigación fue financiada por el Instituto de Investigación Traslacional para la Salud Espacial de la NASA, el Centro Espacial de Houston, el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, el Ala de Desempeño Humano 711 y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa.
Otros autores del artículo incluyen a Johanna L. Heureux, Emily Colaia, Gary Liu, Kyle Martin, Hasina Ellis, Alfred Dow, Margaret Yang, Zachary Valverde, Afifah Khazi Syed, Qinhao Cao, Nora Fabian, Joshua Jenkins y Nina Christangeral. Caravecelli, Benjamin Müller y James Byrne.
