Geavanceerde kiemtesten op het ruimtestation verbeteren de monitoring van afvalwater

Nadat de doeken waarmee het ruimtestation werd schoongeveegd op aarde arriveerden, werden ze gespoeld in de waterkruik die hier te zien is met een oranje deksel om microben te verwijderen. Die vloeistof werd vervolgens in dit flesje (bijzet) geconcentreerd om te testen met het CP Select-systeem van InnovaPrep. (Afbeelding:NASA)

Het volgen van de verspreiding van COVID-19 via gemeenschappen leverde essentiële gegevens op voor volksgezondheidsfunctionarissen en individuen om weloverwogen beslissingen te nemen tijdens de pandemie. Eén methode die nuttig bleek, was het verzamelen, concentreren en testen van gemeentelijk afvalwater op de aanwezigheid van het virus dat de ziekte veroorzaakte. Naarmate deze tests vorderden, bespaarde een technologie die voor NASA was ontwikkeld om ziekteverwekkers in ruimtevaartuigen te identificeren tijd en leverde betrouwbare resultaten op aarde op.

NASA-astronaut Megan McArthur verzamelt microbiële monsters van oppervlakken in het ruimtestation om de microben te bestuderen die verband houden met gesloten bewoning en om te voorspellen welke microben een bedreiging kunnen vormen voor de gezondheid van de bemanning. (Afbeelding:NASA)

Verschillende Small Business Innovation Research (SBIR)-contracten die een paar jaar eerder werden toegekend, hielpen InnovaPrep LLC uit Drexel, MO, zijn bestaande bioconcentratieproces te verbeteren en toe te passen op geautomatiseerde tests op virussen, bacteriën en andere ziekteverwekkers in de lucht en het water en op oppervlakken in het Internationale Ruimtestation. Naast het gebruik van een nieuw filtermateriaal, het verbeteren van het proces en het aanpassen ervan voor de ruimte, ontwikkelde het bedrijf nieuwe fabricagestappen om productieprocessen semi-automatisch te maken. Voorafgaand aan de SBIR-werkzaamheden bouwde het bedrijf het wegwerpfilter, een pipet genaamd, met de hand en produceerde er ongeveer 200 per week. Nu bedraagt de productie 12.000 per week met een systeem dat gemakkelijk kan worden opgeschaald om aan de toegenomen vraag te voldoen.

De verbeterde productie kwam net op tijd. InnovaPrep kon gemakkelijk de bestellingen van volksgezondheidsafdelingen, commerciële laboratoria en onderzoekers vervullen naarmate de inspanningen op het gebied van de monitoring van COVID-19 werden ingevoerd. Andy Page, CTO bij InnovaPrep, dankt NASA voor het vermogen van het bedrijf om zijn AirPrep- en FluidPrep-productlijnen verder te ontwikkelen.

"We hadden veel goede interactie met NASA-wetenschappers die veel goed inzicht gaven. Die samenwerking is van grote waarde", zei hij. “Met het SBIR-programma kun je dingen ontdekken die je zonder die financiering niet gemakkelijk zult kunnen ontdekken.”

Ziekteverwekkers, waaronder sommige bacteriën en virussen, kunnen schadelijker worden als er geen zwaartekracht is, dus het veilig houden van een ruimtevaartuig voor astronauten vereist waakzaamheid. Maar het verzamelen en testen van monsters zijn tijdrovende taken. Het Jet Propulsion Laboratory van NASA in Zuid-Californië leidde de inspanningen om het efficiënter te maken met behulp van automatisering, waarbij Kasthuri “Venkat” Venkateswaran, Senior Research Scientist bij JPL, samenwerkte met InnovaPrep om de monsterconcentratietechnologie aan te passen voor de ruimte.

Het concentreren van de microben in liters water tot een paar ounces voor testen kan een tijdrovende klus zijn. Maar het gespecialiseerde InnovaPrep-filtratiesysteem genaamd CP Select, dat profiteerde van de expertise van NASA, kan precies dat op aarde snel doen. (Afbeelding:InnovaPrep LLC)

Een optie om snellere resultaten mogelijk te maken is een polymerasekettingreactietest (PCR). PCR amplificeert snel kleine segmenten van genetisch materiaal – DNA of RNA – door veel kopieën te maken. Hierdoor ontstaat een grotere steekproef voor genetische tests, waardoor het gemakkelijker wordt om het aanwezige type bacterie of virus te identificeren. In de ruimte verdient het de voorkeur om zich te richten op specifieke moleculaire fragmenten van virussen of bacteriën in plaats van het kweken van een levende cultuur, een proces dat op aarde vaak wordt gebruikt.

"Als je microben in de ruimte laat groeien, betekent dit dat zelfs één cel miljarden cellen zal worden. Eén cel zal geen enkele schade toebrengen aan de menselijke gezondheid, maar het kweken van die ene cel in een gesloten systeem is gevaarlijk", zegt Venkateswaran. Kleine microben zijn moeilijk te vinden, dus deed NASA wat onderzoek om erachter te komen wat er in het ruimtestation leefde.

In één onderzoek moesten astronauten oppervlakken met steriele doeken afvegen voordat ze ze naar de aarde stuurden. Eenmaal in het laboratorium werden de doeken in een grote hoeveelheid water gespoeld, de resulterende vloeistof gefilterd en de microben geconcentreerd tot een kleine hoeveelheid vloeistof om te testen. De SBIR-technologie was bedoeld om virussen en bacteriën te concentreren, waardoor de tijd en kosten die nodig zijn om resultaten te behalen, worden verminderd.

InnovaPrep gebruikte de vorige pipetstructuur voor het SBIR-werk, maar de veeleisende filtratie-eisen van NASA dwongen het bedrijf om op zoek te gaan naar een nieuw materiaal. Uit tests bleek dat de beste optie een materiaal met holle vezels was, gemaakt van wat lijkt op 72 kleine rietjes, die deel uitmaken van het filter in de pipet. Een beter filter betekent dat per monster meer virale en bacteriële cellen worden opgevangen.

Vervolgens automatiseerde het bedrijf het aanbrengen van lijm die de filters op hun plaats houdt. Dit verbeterde de prestaties en betrouwbaarheid van het apparaat en vormde tegelijkertijd een eerste stap in de richting van een verbeterde productie.

Het opruimen van de hardware van de Perseverance-rover is een stap in de Planetary Protection-strategie van NASA om het aantal aardse microben dat naar Mars gaat te beperken. De cleanroom van het Jet Propulsion Laboratory, een van de schoonste plekken ter wereld, ontwikkelde procedures met behulp van InnovaPrep-technologie om vóór de vlucht te controleren of er microben op het oppervlak achterbleven. (Afbeelding:NASA)

De vereisten van NASA waren voor InnovaPrep ook aanleiding om de kwaliteit van een schuimende vloeistof te verbeteren die de gevangen microben uit het filter verwijdert.

Om een monster te concentreren ter voorbereiding op analyse – inclusief PCR-testen – vangt een pipet met daarin het filter moleculen en microben op die in een watermonster zijn gesuspendeerd. De volgende stap, natte schuimelutie genoemd, duwt de schuimende vloeistof in de pipet, over het binnenoppervlak van het filter om de organismen of verontreinigingen uit een vloeistofmonster te halen. Hierdoor worden ze in een flesje gedrukt, klaar om te testen.

De toepassing van NASA vereiste aanpassingen aan het proces om in de ruimte te kunnen functioneren, samen met een langere houdbaarheid van de elutievloeistof. De vloeistofbussen zijn aangepast om de vloeistof in microzwaartekracht af te geven en blijven een jaar of langer staan ​​voordat ze worden gebruikt. Met wat werk voldeed InnovaPrep aan alle eisen van NASA.

Het bioconcentratiesysteem dat is gecreëerd voor gewichtloosheid is nog niet in het ruimtestation gebruikt, maar bedrijven op aarde besparen tijd en geld met de technologische upgrades. Een voordeel van de water- en luchtbewakingsapparatuur die InnovaPrep biedt, is dat deze eenvoudig te gebruiken is. In tegenstelling tot het kweken van culturen in een laboratorium is er geen speciale training vereist.

Het gaat niet alleen om het opsporen van een pandemie, waarvoor de concentratie en het testen van ziekteverwekkers nodig is. Recreatievoorzieningen gebruiken InnovaPrep-technologie om de waterkwaliteit in zwembaden te monitoren. Ziekenhuizen gebruiken het om binnenruimtes af te schermen om ze zo steriel mogelijk te houden. Water uit koeltorens en gemeentelijke watersystemen wordt regelmatig getest op legionella bacteriën, die een ernstige vorm van longontsteking kunnen veroorzaken.

Boeren testen irrigatiewater op ziekteverwekkers, en voedselproducenten controleren de producten en het spoelen van apparatuur om door voedsel overgedragen ziekten te elimineren. De InnovaPrep FluidPrep-concentrator die nu door bedrijven wordt gebruikt, is zelfs zo efficiënt dat JPL een reeks cleanroomprotocollen heeft ontwikkeld met behulp van het commerciële apparaat.

Wanneer NASA hardware naar andere planetaire lichamen stuurt, proberen technologen ervoor te zorgen dat deze zo schoon mogelijk is. De bedoeling is om microscopisch kleine lifters van de aarde te verwijderen om de kans op besmetting te beperken. Medewerkers van de cleanroom gebruiken een vierkant stuk steriele doek van een meter groot om grote oppervlakken af te vegen, waarbij zoveel mogelijk biomaterie wordt verwijderd.

"Als je het te verzamelen oppervlak vergroot, vergroot je uiteraard ook de vloeistof die je gebruikt. En je moet omslachtig filteren, "zei Venkateswaran. "Al het materiaal moet DNA-vrij zijn, dus hebben we InnovaPrep gevraagd een product te bedenken dat sterieler is dan wat ze hadden. Ze hebben de technologie ontwikkeld om ervoor te zorgen dat hun producten vrij zijn van biomoleculen."

Het gepubliceerde onderzoek dat de doeltreffendheid van de cleanroomprocedures verifieerde, heeft InnovaPrep geholpen nieuwe klanten aan te trekken die een steriele omgeving nodig hebben. Maar het grootste klantenbestand van InnovaPrep bestaat nog steeds uit afvalwaterbewaking.

Kijk hier voor meer informatie  .