Temos o compromisso de projetar microscópios que ajudem a tornar o seu mundo mais saudável e seguro. Agora, graças às novas pesquisas conduzidas durante missões espaciais de longa duração, nossa tecnologia de microscópio confocal de escaneamento a laser está ajudando os cientistas a estudar coisas além do nosso mundo.
Um exemplo é um experimento de pesquisa da NASA que estuda biofilmes bacterianos e seu impacto na saúde da tripulação espacial e na segurança do sistema. Continue lendo para aprender mais sobre o experimento do voo espacial e como a microscopia confocal o ajudou a decolar.
Exploração de biofilmes encontrados na Terra e no espaço
As comunidades bacterianas aderidas à superfície, conhecidas como biofilmes, são encontradas em todo nosso redor. Exemplos comuns de biofilmes na Terra incluem o limo encontrado nas rochas dos rios, a "gosma" no ralo da pia ou a placa que se forma em nossos dentes.
Mas as bactérias podem se prender às superfícies em baixa gravidade?
Em 1998, o professor do estado do Texas, Robert “Bob” McLean, decidiu responder a essa pergunta enquanto ajudava um grupo de alunos da oitava série em um projeto para a feira de ciências. O experimento de biofilme em microgravidade decolou no ônibus espacial STS-95, saindo do Centro Espacial Kennedy, na Flórida, em 29 de outubro de 1998.
Bob McLean e seus dois filhos coletam resultados para o Experimento de biofilme em microgravidade no STS-95
Seu trabalho levou à primeira publicação que demonstrava que as bactérias podem formar biofilmes em microgravidade, uma descoberta que chamou a atenção da Administração Nacional da Aeronáutica e Espaço (National Aeronautics and Space Administration, NASA).
O Experimento de voo espacial de adesão e corrosão bacteriana (Bacterial Adhesion and Corrosion, BAC)
À medida que os astronautas começam a explorar destinos distantes por meio de voos espaciais de longo prazo, uma prioridade da NASA é mantê-los seguros e saudáveis durante suas missões. Preocupados com a formação de biofilmes nas espaçonaves, eles pediram a Bob para realizar novas pesquisas.
O Experimento de voo espacial de adesão e corrosão bacteriana (Bacterial Adhesion and Corrosion, BAC) lançado na SpaceX CRS-21 em dezembro de 2020, tendo Bob como o investigador principal e Cheryl A. Nickerson da Universidade Estadual do Arizona como coinvestigadora principal. Outros membros da equipe incluem Starla Thornhill do estado do Texas, Jenn Barilla, Jiseon Yang, Rich Davis e Sandhya Gangaraju do estado do Arizona, seu filho Alistair McLean e Mark Ott da NASA.
A equipe está estudando o efeito do voo espacial na formação de biofilmes, usando microscopia confocal e outras tecnologias. O experimento ajudará a responder questões importantes sobre biofilmes no espaço, incluindo:
- Os biofilmes podem corroer superfícies relevantes como as do sistema de água da Estação Espacial Internacional (International Space Station, ISS)?
- Qual é a eficácia dos desinfetantes para eliminar os biofilmes?
- Quais genes bacterianos estão envolvidos no crescimento de biofilmes e na corrosão de superfícies de aço inoxidável em condições de microgravidade?
Os riscos dos biofilmes para a integridade e segurança dos voos espaciais
Encontrar as respostas para essas perguntas é fundamental, pois os biofilmes podem ser difíceis de remover, levando a preocupações quanto à saúde da tripulação em viagens espaciais de longo prazo. Bob explicou: "Se você tentar remover bactérias aderidas a uma superfície, elas tendem a ficar muito resistentes a medicamentos e desinfetantes"
Os micro-organismos como Pseudomonas aeruginosa e Escherichia coli (E. coli), usados no experimento de voo espacial de BAC, formam facilmente biofilmes que:
- São conhecidos por se tornarem altamente resistentes aos métodos tradicionais de limpeza
- Também podem contaminar os sistemas de tratamento de água, levando a problemas como incrustação biológica e corrosão
Em um voo espacial de longa duração, a capacidade de controlar o crescimento microbiano no sistema de tratamento de água é vital para produzir água segura para consumo e higiene pessoal.
Bob explicou: "É muito caro enviar água potável o tempo todo, então eles reciclam toda a água. Essencialmente, a urina e a umidade da respiração são coletadas, tratadas, purificadas e reutilizadas como água potável. Como existem bactérias normalmente relacionadas a todos os humanos (incluindo a tripulação espacial) e à maioria dos ambientes, em algum momento, haverá bactérias colonizando e causando problemas."
A formação de biofilmes também é uma característica importante no processo de doenças infecciosas por microrganismos. Se não forem controlados, os biofilmes microbianos podem causar danos aos sistemas de suporte à vida e representar um risco para a saúde dos astronautas.
O equipamento é outra preocupação.
Bob explicou: "O problema do biofilme não é apenas uma preocupação com a saúde da tripulação, mas também com possíveis danos ao equipamento. Se formos a Marte, estaremos lidando com uma expedição de dois a três anos. É um voo de quatro a seis meses para Marte, dependendo da posição relativa dos planetas. Então, em algum momento, a Terra e Marte estarão em lados opostos do Sol. Você não pode ir até lá, dar meia-volta e voltar. Você tem de ficar lá por aproximadamente um ano para que as coisas voltem a se alinhar. Portanto, a integridade de sua nave espacial e a saúde da sua tripulação devem ser levadas em conta durante esse período."
Essa pesquisa os ajudará a desenvolver novas estratégias de mitigação para biofilmes em voos espaciais de longo prazo.
Bob McLean ajuda na inoculação de voos espaciais no KSC. Dois membros da equipe da Universidade Estadual do Arizona auxiliam (Jiseon Yang, em pé, e Sandhya Gangaraju, sentada).
Preparação para o experimento de voo espacial com microscopia confocal
Para se preparar para o experimento, Bob e sua equipe usaram um microscópio confocal de escaneamento a laser Olympus FV1000 e uma objetiva de imersão em água de 60X no estado do Texas, para capturar imagens 3D de biofilmes bacterianos no hardware de voo correspondente ao sistema de água da ISS.
Essas imagens permitiram identificar a localização dos biofilmes, as populações bacterianas e a estrutura dos biofilmes hidratados. Foi fácil distinguir as bactérias usando a microscopia confocal, pois elas continham genes de proteínas fluorescentes.
Por exemplo, a Pseudomonas aeruginosa continha proteína fluorescente verde (green fluorescent protein, GFP) e a Escherichia coli continha mCherry. Você pode distinguir as cores verdes e vermelhas nas imagens abaixo:
Imagens confocais de biofilmes em hardware de voo. À esquerda: biofilmes (Pseudomonas aeruginosa, verde) em Teflon. À direita: biofilmes (Escherichia coli, vermelho e Pseudomonas aeruginosa, verde) em aço inoxidável.
Esses dados experimentais levaram a um marco importante: a autorização pela NASA do experimento de voo que embarcou na SpaceX CRS-21. Atualmente, eles continuam a usar um microscópio confocal Olympus no estado do Texas para realizar mais pesquisas sobre o experimento do biofilme e outros projetos.
Os benefícios do uso de microscópios confocais de escaneamento a laser para a pesquisa de biofilmes
Bob e sua equipe no estado do Texas agora atualizaram para um microscópio confocal de escaneamento a laser FV3000. Alissa Savage, que gerencia as principais instalações no estado do Texas, o Centro de Assistência em Pesquisa Analítica (Analysis Research Service Center, ARSC), explicou por que gosta de usar o microscópio confocal Olympus.
Alissa disse: "Existem dois aspectos principais. Há a facilidade de uso. E posso dizer que passar do FV1000 para o FV3000, que é muito mais intuitivo, o que é fantástico. Além disso, a disponibilidade dos técnicos para ajudar sempre que há uma dúvida e qualquer coisa em relação à pesquisa. Essas duas coisas são as que se destacam para mim com a Olympus em relação a alguns dos concorrentes."
Alissa Savage treina um novo usuário no microscópio confocal de escaneamento a laser FV3000
Bob destacou por que a imagem confocal era vital para a pesquisa de biofilmes.
"Embora a microscopia eletrônica proporcione uma resolução muito maior, a vantagem da confocal é que você pode observar materiais hidratados, e até mesmo vivos, e não obter artefatos de desidratação devido aos requisitos de alto vácuo na microscopia eletrônica de transmissão e na microscopia eletrônica de escaneamento."
"Funciona maravilhosamente bem com nossas amostras", acrescentou.
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