Testes avançados de germes na estação espacial melhoram o monitoramento de águas residuais

Depois que os panos usados para limpar a estação espacial chegaram à Terra, eles foram enxaguados na jarra de água com tampa laranja vista aqui para remover os micróbios. Esse líquido foi então concentrado neste frasco (inserção) para teste pelo sistema CP Select da InnovaPrep. (Imagem:NASA)
O acompanhamento da propagação da COVID-19 nas comunidades forneceu dados essenciais para que as autoridades de saúde pública e os indivíduos tomassem decisões informadas durante a pandemia. Um método que se revelou útil foi a recolha, concentração e teste de águas residuais municipais quanto à presença do vírus que causou a doença. À medida que estes testes foram aumentando, uma tecnologia desenvolvida pela NASA para identificar agentes patogénicos no interior de naves espaciais economizou tempo e produziu resultados fiáveis ​​na Terra.
A astronauta da NASA Megan McArthur coleta amostras microbianas de superfícies dentro da estação espacial para estudar os micróbios associados a habitações fechadas e prever aqueles que podem representar uma ameaça à saúde da tripulação. (Imagem:NASA)
Vários contratos de Pesquisa de Inovação para Pequenas Empresas (SBIR) concedidos alguns anos antes ajudaram a InnovaPrep LLC de Drexel, MO, a melhorar seu processo de bioconcentração existente e a aplicá-lo em testes automatizados de vírus, bactérias e outros patógenos no ar, na água e em superfícies na Estação Espacial Internacional. Além de utilizar um novo material filtrante, melhorar o processo e modificá-lo para acomodar o espaço, a empresa desenvolveu novas etapas de fabricação para semiautomatizar os processos de produção. Antes do trabalho do SBIR, a empresa construía manualmente o filtro descartável, chamado de pipeta, produzindo cerca de 200 por semana. Agora a produção é de 12.000 por semana com um sistema que pode ser facilmente ampliado para atender ao aumento da demanda.

A produção melhorada veio na hora certa. O InnovaPrep poderia facilmente atender aos pedidos de departamentos de saúde pública, laboratórios comerciais e pesquisadores à medida que os esforços de monitoramento da COVID-19 fossem implementados. Andy Page, CTO da InnovaPrep, credita à NASA a capacidade da empresa de desenvolver suas linhas de produtos AirPrep e FluidPrep.

"Tivemos uma interação muito boa com os cientistas da NASA, que forneceram muitos insights bons. Essa colaboração é supervaliosa", disse ele. “O programa SBIR permite que você descubra coisas que não conseguiria descobrir facilmente sem esse financiamento.”

Os agentes patogénicos, incluindo algumas bactérias e vírus, podem tornar-se mais prejudiciais em gravidade zero, pelo que manter uma nave espacial segura para os astronautas requer vigilância. Mas a coleta e os testes de amostras são tarefas demoradas. O Laboratório de Propulsão a Jato da NASA no sul da Califórnia liderou o esforço para torná-lo mais eficiente usando a automação, com Kasthuri “Venkat” Venkateswaran, Cientista Pesquisador Sênior do JPL, trabalhando com a InnovaPrep para modificar sua tecnologia de concentração de amostras para o espaço.
Concentrar os micróbios em galões de água até alguns gramas para testes pode ser uma tarefa demorada. Mas o sistema de filtragem especializado InnovaPrep chamado CP Select, que beneficiou da experiência da NASA, pode rapidamente fazer exactamente isso na Terra. (Imagem:InnovaPrep LLC)
Uma opção para permitir resultados mais rápidos é um teste de reação em cadeia da polimerase (PCR). A PCR amplifica rapidamente pequenos segmentos de material genético – DNA ou RNA – fazendo muitas cópias. Isso cria uma amostra maior para testes genéticos, facilitando a identificação do tipo de bactéria ou vírus presente. É preferível atingir fragmentos moleculares específicos de vírus ou bactérias no espaço, em vez de cultivar uma cultura viva, um processo frequentemente utilizado na Terra.

"Se você estiver cultivando micróbios no espaço, isso significa que mesmo uma célula se tornará bilhões de células. Uma célula não causará nenhum dano à saúde humana, mas cultivar essa célula em um sistema fechado é perigoso", disse Venkateswaran. Micróbios minúsculos são difíceis de encontrar, então a NASA fez algumas pesquisas para descobrir o que vivia na estação espacial.

Um estudo exigiu que os astronautas limpassem as superfícies com panos esterilizados antes de enviá-los para a Terra. Uma vez no laboratório, os panos foram enxaguados em grande quantidade de água, o líquido resultante foi filtrado e os micróbios foram concentrados em uma pequena quantidade de líquido para teste. A tecnologia SBIR foi pensada para concentrar vírus e bactérias, reduzindo o tempo e o custo necessários para obter resultados.

A InnovaPrep usou sua estrutura de pipeta anterior para o trabalho do SBIR, mas os exigentes requisitos de filtragem da NASA obrigaram a empresa a procurar um novo material. Os testes mostraram que a melhor opção era um material de fibra oca feito com o que parecem ser 72 canudos minúsculos, que fazem parte do filtro dentro da pipeta. Um filtro melhor significa que mais células virais e bacterianas são capturadas por amostra.

A empresa então automatizou a aplicação da cola que mantém os filtros no lugar. Isso melhorou o desempenho e a confiabilidade do dispositivo, ao mesmo tempo que serviu como um primeiro passo para melhorar a produção.
Limpar o hardware do rover Perseverance é um passo na estratégia de proteção planetária da NASA para limitar o número de micróbios da Terra que vão para Marte. A sala limpa do Laboratório de Propulsão a Jato, um dos lugares mais limpos do planeta, desenvolveu procedimentos usando a tecnologia InnovaPrep para verificar se há micróbios deixados na superfície antes do voo. (Imagem:NASA)
Os requisitos da NASA também levaram a InnovaPrep a melhorar a qualidade de um líquido espumoso que remove os micróbios presos no filtro.

Para concentrar uma amostra em preparação para análise – incluindo testes PCR – uma pipeta contendo o filtro captura moléculas e micróbios suspensos numa amostra de água. A próxima etapa, chamada eluição com espuma úmida, empurra o líquido espumoso para dentro da pipeta, através da superfície interna do filtro, para recuperar os organismos ou contaminantes de uma amostra líquida. Isso os empurra para um frasco, pronto para teste.

A aplicação da NASA exigiu modificações no processo para funcionar no espaço, juntamente com uma vida útil mais longa para o fluido de eluição. Os recipientes de líquido foram modificados para dispensar o líquido em microgravidade e permanecer por um ano ou mais antes de serem usados. Com algum trabalho, o InnovaPrep atendeu a todos os requisitos da NASA.

O sistema de bioconcentração criado para gravidade zero ainda não foi utilizado na estação espacial, mas as empresas na Terra estão economizando tempo e dinheiro com as atualizações tecnológicas. Uma vantagem do equipamento de monitoramento de água e ar que o InnovaPrep oferece é que ele é simples de usar. Ao contrário do cultivo de culturas em laboratório, não é necessário nenhum treinamento especial.

Não é apenas o rastreamento de uma pandemia que exige concentração e testes de patógenos. As instalações recreativas utilizam a tecnologia InnovaPrep para monitorar a qualidade da água nas piscinas. Os hospitais o utilizam para proteger espaços internos e mantê-los o mais estéreis possível. A água das torres de resfriamento e dos sistemas municipais de água é testada regularmente para legionella bactérias, que podem causar uma forma grave de pneumonia.

Os agricultores testam a água de irrigação em busca de patógenos e os fabricantes de alimentos monitoram a lavagem de produtos e equipamentos para eliminar doenças transmitidas por alimentos. O concentrador InnovaPrep FluidPrep agora usado pelas empresas é tão eficiente que o JPL desenvolveu uma série de protocolos de sala limpa usando o dispositivo comercial.

Quando a NASA envia hardware para outros corpos planetários, os tecnólogos tentam garantir que esteja o mais limpo possível. A intenção é remover caronas microscópicas da Terra para limitar as oportunidades de contaminação. Os funcionários da sala limpa usam um pedaço de pano esterilizado de um metro quadrado para limpar grandes superfícies, removendo o máximo de biomatéria possível.

"Se você aumentar a área de superfície a ser coletada, obviamente aumentará o líquido usado. E terá que fazer uma filtragem complicada", disse Venkateswaran. "Todo o material deve ser livre de DNA, por isso pedimos à InnovaPrep que criasse um produto que fosse mais estéril do que o que eles tinham. Eles desenvolveram a tecnologia para garantir que seus produtos estivessem livres de biomoléculas."

A pesquisa publicada que verificou a eficácia dos procedimentos de sala limpa ajudou a InnovaPrep a conquistar novos clientes que exigem um ambiente estéril. Mas a maior base de clientes do InnovaPrep ainda é a vigilância de águas residuais.

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