Strahlenresistent: Neue Technologie eröffnet neue Möglichkeiten für Biopharmazeutika in der Raumfahrt

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Ein Instrument, das sich derzeit auf der Internationalen Raumstation befindet, kann E. coli im Weltraum züchten und eröffnet damit einen neuen Weg für die Bioproduktion von Medikamenten während langfristiger Raumflüge. In einer im Fachjournal npj Microgravity veröffentlichten Studie wurde ein bodengestützter Simulator eines Raumstationsinstruments zur Züchtung von E. coli verwendet. Die Studie zeigte, dass E. coli mit Methoden kultiviert werden können, die für die Raumfahrt besser geeignet sind als bestehende Alternativen. Wenn es gelänge, Mikroben im Weltraum gut wachsen zu lassen, könnten Astronauten sie nutzen, um bei Bedarf Medikamente herzustellen.

„Dies könnte für das Überleben bei Langzeitmissionen, bei denen eine Nachschubversorgung unmöglich ist, von entscheidender Bedeutung sein“, sagte der leitende Autor Richard Bonocola, ein Fakultätsmitglied der Abteilung für Biowissenschaften am Rensselaer Polytechnic Institute. „Hier fragen wir: Gibt es eine bessere Möglichkeit, Mikroben im Weltraum zu züchten?“ Es wurde festgestellt, dass dies unter Einwirkung von Scherkräften durchaus möglich ist. Angesichts der vielversprechenden Ergebnisse hofft das Team, ähnliche Experimente auf der Raumstation durchführen zu können. Das Team beginnt mit dem Arbeitspferd der Molekularbiologie, E. coli, und hofft, das Instrument schließlich zum Züchten strahlungsresistenter Mikroben nutzen zu können.

Dadurch könnten in der Entwicklung befindliche Medikamente während des Produktionsprozesses vor der allgegenwärtigen Strahlung im Weltraum geschützt werden. Bakterien wie E. coli benötigen Sauerstoff zum Wachsen. Der Goldstandard zur Belüftung von Bakterien in einem flüssigen Wachstumsmedium ist die Verwendung eines Orbitalschüttlers, einer Maschine, die eine Plattform horizontal schüttelt, auf der Behälter mit Flüssigkeit stehen. Oszillatoren nutzen die Schwerkraft, um den Flüssigkeitsinhalt zu rotieren, der im Kolben auf und ab steigt und dabei Sauerstoff mit der Flüssigkeit vermischt. Ein Instrument wie das, das im Juli 2019 zur Raumstation geschickt wurde, leistet hier wesentlich bessere Arbeit.

Inspiriert von der Forschung des Rensselaer-Professors Amir Hirsa nutzt das von der NASA gebaute Instrument Scherkräfte. Dabei handelt es sich um Kräfte, die an der Grenze zwischen zwei Objekten auftreten, die in entgegengesetzte Richtungen drücken, ähnlich jenen, die an einer Verwerfungslinie zwischen tektonischen Platten auftreten. Das Instrument gibt mithilfe einer Spritze einen Flüssigkeitstropfen ab, der eine Blase bildet. Eine Seite der Blase ist an einem festen Ring befestigt, während die andere Seite an einem dünnen Ring befestigt ist, der sich drehen kann. Der rotierende Ring erzeugt Scherkräfte auf der Blasenoberfläche und versetzt den Inhalt in Rotation. Die Schermaschine wird derzeit verwendet, um Hirsas Experimente durchzuführen und die Auswirkungen von Scherspannungen auf Amyloidfibrillen zu untersuchen.

Amyloidfibrillen sind Proteincluster, die mit neurodegenerativen Erkrankungen wie Diabetes, Alzheimer und Parkinson in Verbindung gebracht werden. Auf der Erde verwendete Bonocora ein Messerkantenviskosimeter, ein von Hirsas Team entwickeltes Instrument, bei dem die Spitze eines Metallrohrs über die Oberfläche einer Flüssigkeit in einer Schale rotiert, ähnlich den rotierenden Ringen in weltraumgestützten Instrumenten, um Scherkräfte zu simulieren. In diesem Experiment wurde das Bakterienwachstum bei Belüftung mithilfe eines Messerkantenviskosimeters und eines Orbitaloszillators getestet, wobei die beiden Instrumente mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten verwendet wurden. Bei höheren Geschwindigkeiten zeigten die durch das Messerkantenviskosimeter belüfteten Bakterien Wachstumsraten, die denen des Orbitaloszillators nahe kamen.

Selbst bei niedrigeren Geschwindigkeiten führten Scherkräfte zu einem stärkeren Wachstum der Bakterienproben als bei Proben ohne mechanische Belüftung. Dies ist eine praktikable Methode zum Züchten von Mikroorganismen, und neue Forschungsergebnisse eröffnen einen neuen Weg, der nun in einer realistischeren Umgebung, beispielsweise auf der Raumstation, in Betracht gezogen werden muss. „Die Produktion von Arzneimitteln im Weltraum ist ein entscheidender Bestandteil unserer Bemühungen, Menschen sicher in das tiefe Sonnensystem zu schicken, und diese Forschung ist grundlegend für die Erreichung dieses Ziels“, sagte Curt Breiman, Dekan des College of Science. Die erfolgreiche Zusammenarbeit zwischen den Teams von Rick und Amir zeigt unsere langjährige Verbindung zur Weltraumforschung und ist eines von vielen Beispielen für die „Low-Wall“-Kultur der interdisziplinären Forschung, die wir bei Rensselaer stolz pflegen.

Boco Park | Forschung/Von: Rensselaer Polytechnic Institute

Referenzzeitschrift: npj Microgravity

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