Ingenieure finden einen Weg, Mikroben vor extremen Bedingungen zu schützen

Mikroben, die im Gesundheitsbereich, in der Landwirtschaft oder für andere Zwecke eingesetzt werden, müssen extremen Bedingungen standhalten können und idealerweise auch den Herstellungsprozessen zur Herstellung von Tabletten für die Langzeitlagerung standhalten. Forscher des MIT haben nun eine neue Methode entwickelt, um Mikroben widerstandsfähig genug zu machen, um diesen extremen Bedingungen standzuhalten.

Ihre Methode besteht darin, Bakterien mit Lebensmittel- und Arzneimittelzusätzen aus einer Liste von Verbindungen zu mischen, die die FDA als „allgemein als sicher“ einstuft. Die Forscher identifizierten Formeln, die dabei helfen, verschiedene Mikrobenarten, darunter Hefen und Bakterien, zu stabilisieren, und sie zeigten, dass diese Formeln hohen Temperaturen, Strahlung und industriellen Verarbeitungsprozessen standhalten, die ungeschützte Mikroben schädigen können.

In einem noch extremeren Test kehrten einige der Mikroben kürzlich von einer Reise zur Internationalen Raumstation zurück. Die Reise wurde von Phyllis Friello, Leiterin für Wissenschaft und Forschung am Space Center Houston, koordiniert. Die Forscher analysieren nun, wie gut die Mikroben diesen Bedingungen standhalten konnten.

„Bei diesem Projekt ging es darum, Organismen für extreme Bedingungen zu stabilisieren. Wir denken dabei an eine breite Palette von Anwendungsmöglichkeiten, seien es Weltraummissionen, Anwendungen beim Menschen oder landwirtschaftliche Nutzung“, sagt Giovanni Traverso, außerordentlicher Professor für Maschinenbau am MIT, Gastroenterologe am Brigham and Women’s Hospital und leitender Autor der Studie.

Miguel Jimenez, ein ehemaliger MIT-Forscher, der jetzt Assistenzprofessor für Biomedizintechnik an der Boston University ist, ist der Hauptautor des Papiers, das erscheint in Naturmaterialien.

Überleben unter extremen Bedingungen

Vor etwa sechs Jahren begann Traversos Labor an neuen Ansätzen zu arbeiten, um nützliche Bakterien wie Probiotika und mikrobielle Therapeutika widerstandsfähiger zu machen. Als Ausgangspunkt analysierten die Forscher 13 im Handel erhältliche Probiotika und stellten fest, dass sechs dieser Produkte nicht so viele lebende Bakterien enthielten, wie auf dem Etikett angegeben.

„Wir haben festgestellt – vielleicht nicht überraschend – dass es einen Unterschied gibt, und dieser kann erheblich sein“, sagt Traverso. „Die nächste Frage war also: Was können wir vor diesem Hintergrund tun, um die Situation zu verbessern?“

Für ihre Experimente konzentrierten sich die Forscher auf vier verschiedene Mikroben: drei Bakterien und eine Hefe. Dabei handelt es sich um Escherichia coli Nissle 1917, ein Probiotikum; Ensifer meliloti, ein Bakterium, das Stickstoff im Boden binden kann, um das Pflanzenwachstum zu unterstützen; Lactobacillus plantarum, ein Bakterium, das zur Fermentierung von Lebensmitteln verwendet wird; und die Hefe Saccharomyces boulardii, die ebenfalls als Probiotikum verwendet wird.

Wenn Mikroben für medizinische oder landwirtschaftliche Zwecke verwendet werden, werden sie normalerweise durch einen Prozess namens Gefriertrocknung zu Pulver getrocknet. Sie können jedoch normalerweise nicht in nützlichere Formen wie Tabletten oder Pillen gebracht werden, da dieser Prozess die Einwirkung eines organischen Lösungsmittels erfordert, das für die Bakterien giftig sein kann. Das MIT-Team machte sich auf die Suche nach Zusatzstoffen, die die Überlebensfähigkeit der Mikroben bei dieser Art der Verarbeitung verbessern könnten.

„Wir haben einen Arbeitsablauf entwickelt, bei dem wir Materialien aus der FDA-Liste der ‚allgemein als sicher angesehenen‘ Materialien nehmen und diese mit Bakterien mischen und prüfen können, ob es Inhaltsstoffe gibt, die die Stabilität der Bakterien während des Gefriertrocknungsprozesses verbessern“, sagt Traverso.

Ihr Aufbau ermöglicht es ihnen, Mikroben mit einem von etwa 100 verschiedenen Inhaltsstoffen zu mischen und sie dann zu züchten, um zu sehen, welche am besten überleben, wenn sie 30 Tage lang bei Raumtemperatur gelagert werden. Diese Experimente ergaben unterschiedliche Inhaltsstoffe, hauptsächlich Zucker und Peptide, die für jede Mikrobenart am besten funktionierten.

Anschließend wählten die Forscher einen der Mikroben, E. coli Nissle 1917, zur weiteren Optimierung aus. Dieses Probiotikum wird zur Behandlung von „Reisedurchfall“ eingesetzt, einer Erkrankung, die durch mit schädlichen Bakterien verunreinigtes Trinkwasser verursacht wird. Die Forscher fanden heraus, dass sie eine sehr stabile Formulierung von E. coli Nissle 1917 herstellen konnten, wenn sie Koffein oder Hefeextrakt mit einem Zucker namens Melibiose kombinierten.

Diese Mischung, die die Forscher Formulierung D nannten, ermöglichte Überlebensraten von über 10 %, nachdem die Mikroben sechs Monate lang bei 37 Grad Celsius gelagert worden waren. Eine im Handel erhältliche Formulierung von E. coli Nissle 1917 verlor unter diesen Bedingungen hingegen bereits nach elf Tagen ihre gesamte Lebensfähigkeit.

Formulierung D konnte auch viel höheren ionisierenden Strahlungswerten von bis zu 1.000 Gray standhalten. (Die typische Strahlendosis auf der Erde beträgt etwa 15 Mikrogray pro Tag und im Weltraum etwa 200 Mikrogray pro Tag.)

Die Forscher wissen nicht genau, wie ihre Formeln die Bakterien schützen, aber sie vermuten, dass die Zusatzstoffe möglicherweise dazu beitragen, die bakteriellen Zellmembranen während der Rehydrierung zu stabilisieren.

Stresstests

Die Forscher zeigten dann, dass diese Mikroben nicht nur harte Bedingungen überleben können, sondern auch ihre Funktion nach diesen Belastungen aufrechterhalten. Nachdem Ensifer meliloti Temperaturen von bis zu 50 Grad Celsius ausgesetzt worden war, stellten die Forscher fest, dass sie immer noch in der Lage waren, symbiotische Knötchen an Pflanzenwurzeln zu bilden und Stickstoff in Ammoniak umzuwandeln.

Sie stellten außerdem fest, dass ihre Formulierung von E. coli Nissle 1917 das Wachstum von Shigella flexneri, einer der häufigsten Ursachen für durch Durchfall verursachte Todesfälle in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen, hemmen konnte, wenn die Mikroben gemeinsam in einer Laborschale gezüchtet wurden.

Letztes Jahr wurden mehrere Stämme dieser extremophilen Mikroben zur Internationalen Raumstation geschickt, was Jimenez als „den ultimativen Stresstest“ bezeichnet.

„Schon der Transport auf der Erde zur Validierung vor dem Flug und die Lagerung bis zum Flug sind Teil dieses Tests, und dabei erfolgt keine Temperaturkontrolle“, sagt er.

Die Proben sind vor Kurzem zur Erde zurückgekehrt und werden derzeit in Jimenez‘ Labor analysiert. Er plant, Proben, die im Inneren der ISS aufbewahrt wurden, mit anderen zu vergleichen, die an der Außenseite der Station befestigt waren, sowie mit Kontrollproben, die auf der Erde verblieben sind.

Weitere Autoren des Artikels sind Johanna L’Heureux, Emily Kolaya, Gary Liu, Kyle Martin, Husna Ellis, Alfred Dao, Margaret Yang, Zachary Villaverde, Afeefah Khazi-Syed, Qinhao Cao, Niora Fabian, Joshua Jenkins, Nina Fitzgerald, Christina Karavasili, Benjamin Muller und James Byrne.

Diese Geschichte wird mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Site mit Neuigkeiten zu Forschung, Innovation und Lehre am MIT.