Come prevenire la formazione di biofilm nello spazio

Nell’esperimento, i ricercatori hanno studiato una varietà di superfici trattate in modi diversi ed esposte a un batterio chiamato Pseudomonas aeruginosa, che è un patogeno opportunistico che può causare infezioni nell’uomo, soprattutto negli ospedali. Le superfici sono state incubate per tre giorni a bordo della stazione spaziale, a partire dal 2019. I risultati mostrano che le superfici strutturate impregnate con un lubrificante hanno avuto molto successo nel prevenire la crescita del biofilm durante la loro lunga esposizione nello spazio. I risultati sono descritti in un articolo sulla rivista Microgravità della naturadi Samantha McBride PhD ’20 e Kripa Varanasi del MIT, Pamela Flores e Luis Zea dell’Università del Colorado e Jonathan Galakza dell’Ames Research Center della NASA.

A volte gli intasamenti nei tubi del sistema di recupero dell’acqua a bordo della ISS sono stati così gravi che i tubi hanno dovuto essere rimandati sulla Terra per la pulizia e la ristrutturazione. E anche se non è noto se i biofilm abbiano contribuito direttamente alle malattie degli astronauti, sulla Terra i biofilm sono associati al 65% delle infezioni microbiche e all’80% delle infezioni croniche, dicono i ricercatori.

Un approccio per prevenire la formazione di biofilm consiste nell’utilizzare superfici rivestite con determinati metalli o ossidi che uccidono i microbi, ma questo approccio può fallire quando uno strato di microbi morti si accumula sulla superficie e consente la formazione di biofilm sopra di essa. Ma questo non è stato il caso della superficie infusa di liquido che ha funzionato bene negli esperimenti sulla ISS: invece di uccidere i microbi, ha impedito loro di aderire alla superficie.

La superficie specifica utilizzata era fatta di silicio che è stato inciso per produrre una foresta di pilastri su scala nanometrica. Questa superficie appuntita viene quindi infusa con un olio di silicone, che viene assorbito dalla texture e tenuto in posizione per azione capillare, lasciando una superficie liscia e altamente scivolosa che riduce significativamente l’adesione dei microbi e impedisce loro di formare un biofilm.

Esperimenti identici sono stati condotti sia sulla Terra che sulla stazione spaziale per determinare le differenze prodotte dall’ambiente di microgravità in orbita. Con sorpresa dei ricercatori, la superficie infusa di liquido ha funzionato ancora meglio nello spazio che sulla Terra nel prevenire l’adesione microbica.

Sulle stazioni spaziali precedenti e attuali, tra cui la stazione Mir dell’URSS, Salyut 6 e Salyut 7, nonché la Stazione Spaziale Internazionale, “hanno visto questi biofilm e mettono a repentaglio una varietà di strumenti o attrezzature, comprese tute spaziali, unità di riciclaggio, radiatori e impianti di trattamento dell’acqua, quindi è un problema molto importante che deve essere compreso”, afferma Varanasi, professore di ingegneria meccanica e fondatore di un’azienda chiamata LiquiGlide, che produce superfici impregnate di liquidi per contenitori per aiutarne la il contenuto scivola fuori.

Precedenti test sulla Terra avevano dimostrato che queste superfici trattate potevano ridurre significativamente l’adesione del biofilm. Quando i campioni della stazione spaziale sono stati recuperati e testati, “abbiamo scoperto che queste superfici sono estremamente efficaci nel prevenire la formazione di biofilm anche nella stazione spaziale”, afferma Varanasi. Questo è importante perché il lavoro passato ha scoperto che la microgravità può avere un’influenza significativa sulle morfologie dei biofilm, sul comportamento di attaccamento e sull’espressione genetica, secondo McBride. Pertanto, le strategie che funzionano bene sulla Terra per la mitigazione del biofilm potrebbero non essere necessariamente applicabili alle situazioni di microgravità.

Prevenire la formazione di biofilm sarà particolarmente importante per le future missioni di lunga durata, come sulla Luna o su Marte, dove non sarà disponibile la possibilità di riportare rapidamente sulla Terra attrezzature sporche o astronauti malati, afferma il team. Se ulteriori test confermassero la stabilità a lungo termine e l’efficacia nella prevenzione del biofilm, i rivestimenti basati sul concetto di superficie trattata con liquido potrebbero essere applicati a una varietà di componenti critici noti per essere sensibili all’incrostazione del biofilm, come tubi e filtri per il trattamento dell’acqua, o a parti che entrano in stretto contatto con gli astronauti, come guanti o superfici per la preparazione del cibo.

Nei campioni terrestri, la formazione di biofilm è stata ridotta di circa il 74%, mentre nei campioni della stazione spaziale hanno mostrato una riduzione di circa l’86%, afferma Flores, che ha eseguito gran parte dei test sui campioni esposti alla ISS. “I risultati che abbiamo ottenuto sono stati sorprendenti”, dice, perché test precedenti condotti da altri avevano dimostrato che la formazione di biofilm era in realtà maggiore nello spazio che sulla Terra. “In realtà abbiamo riscontrato il contrario su questi campioni”, afferma.

Anche se i test hanno utilizzato un tipo specifico e ben studiato di batteri gram-negativi, dice, i risultati dovrebbero applicarsi a qualsiasi tipo di batteri gram-negativi e probabilmente anche ai batteri gram-positivi. Hanno scoperto che le aree della superficie in cui non si verificava alcuna crescita batterica erano coperte da un sottile strato di acidi nucleici, che hanno una leggera carica elettrica negativa che potrebbe aver contribuito a impedire ai microbi di aderire. Sia i batteri gram-positivi che quelli gram-negativi hanno una leggera carica negativa, che potrebbe respingerli da quella superficie caricata negativamente, dice Flores.

Altri tipi di superfici antivegetative, afferma Varanasi, “funzionano principalmente su una proprietà biocida, che di solito funziona solo per un primo strato di cellule perché dopo che quelle cellule muoiono possono formare un deposito e i microbi possono crescere su di esse. Quindi , di solito è stato un problema molto difficile.” Ma con la superficie impregnata di liquido, dove ciò che è esposto è per lo più solo il liquido stesso, ci sono pochissimi difetti o punti in cui i batteri possono trovare una base, dice.

Sebbene il materiale di prova sia rimasto sulla stazione spaziale per più di un anno, i test veri e propri sono stati eseguiti solo nell’arco di tre giorni perché richiedevano la partecipazione attiva degli astronauti, i cui programmi sono sempre molto impegnativi. Ma una raccomandazione che il team ha fatto, sulla base di questi risultati iniziali, è che i test di più lunga durata dovrebbero essere effettuati in una missione futura. In questi primi test, dice Flores, i risultati dopo il terzo giorno sembravano gli stessi del primo e del secondo giorno. “Non sappiamo per quanto tempo sarà in grado di mantenere queste prestazioni, quindi consigliamo sicuramente un periodo di incubazione più lungo e, se possibile, un’analisi continua, e non solo dei punti finali.”

Zea, che ha avviato il progetto con la NASA, afferma che questa è stata la prima volta che l’agenzia ha condotto test che hanno coinvolto la partecipazione congiunta di due dei suoi programmi scientifici, biologia e scienze fisiche. “Penso che ciò sottolinei l’importanza della multidisciplinarietà perché dobbiamo essere in grado di combinare queste diverse discipline per trovare soluzioni ai problemi del mondo reale.”

I biofilm rappresentano anche un problema medico significativo sulla Terra, in particolare sui dispositivi medici o sugli impianti, compresi i cateteri, dove possono portare a notevoli problemi di malattie. Lo stesso tipo di superfici impregnate di liquido potrebbe avere un ruolo da svolgere nel contribuire ad affrontare questi problemi, afferma Varanasi.

Il progetto è stato sostenuto dalla NASA e ha utilizzato strutture fornite da diverse altre società e organizzazioni.