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Biofilme im Weltraum – Konfokale Laserscanning-Mikroskope unterstützten NASA-Forschungsexperiment

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Konfokales Laserscanning-Mikroskop im Einsatz für die Biofilmforschung

Unser Ziel ist es, Mikroskope zu entwickeln, die unsere Welt gesünder und sicherer machen. Dank neuer Forschungsarbeiten, die während lang andauernder Weltraummissionen durchgeführt wurden, kam unsere konfokale Laserscanning-Mikroskop-Technologie nun auch in der Weltraumforschung zum Einsatz.

Ein Beispiel ist ein NASA-Forschungsexperiment, bei dem bakterielle Biofilme und ihre Auswirkungen auf die Gesundheit der Raumschiffbesatzung und auf die Systemsicherheit untersucht werden. Lesen Sie weiter, um mehr über das Weltraumexperiment und die entscheidende Rolle, die die konfokale Mikroskopie dabei spielte, zu erfahren.

Erforschung von Biofilmen auf der Erde und im Weltraum

An der Oberfläche haftende Bakteriengemeinschaften, so genannte Biofilme, sind überall um uns herum zu finden. Gängige Beispiele für Biofilme auf der Erde sind der Schleim auf Flusssteinen, der „Schmodder“ im Abfluss Ihres Waschbeckens oder die Plaque, die sich auf unseren Zähnen bildet.

Aber können sich Bakterien auch bei geringer Schwerkraft auf Oberflächen festsetzen?

1998 unternahm der texanische Professor Robert „Bob“ McLean die ersten Schritte, um dieser Frage nachzugehen, als er einer Gruppe von Achtklässlern bei einem Projekt für eine Wissenschaftsmesse half. Ihr Mikrogravitationsbiofilm-Experiment startete mit der Raumfähre STS-95 am 29. Oktober 1998 vom Kennedy Space Center in Florida.

Das Mikrogravitationsbiofilm-Experiment an Bord der STS-95

Bob McLean und seine beiden Söhne erfassen Ergebnisse für das STS-95 Mikrogravitationsbiofilm-Experiment

Ihre Arbeit führte zur ersten Veröffentlichung, die aufzeigte, dass Bakterien unter Mikrogravitationsbedingungen Biofilme bilden können, eine Entdeckung, die die Aufmerksamkeit der National Aeronautics and Space Administration (NASA) auf sich zog.

Das Weltraumexperiment zur bakteriellen Adhäsion und Korrosion (Bacterial Adhesion and Corrosion, BAC)

Mit Beginn der Erkundung weit entfernter Ziele im Rahmen von Langzeit-Raumflügen legt die NASA große Priorität auf die Sicherheit und Gesundheit der Astronauten während ihrer Missionen. Da sie Bedenken wegen der Bildung von Biofilmen in Raumfahrzeugen hatten, baten sie McLean, neue Forschungen in diese Richtung durchzuführen.

Das Weltraumexperiment zur bakteriellen Adhäsion und Korrosion (Bacterial Adhesion and Corrosion, BAC) startete im Dezember 2020 an Bord der SpaceX CRS-21 unter der Leitung von McLean als Hauptforscher und Cheryl A. Nickerson von der Arizona State University als zweiter Hauptforscherin. Weitere Teammitglieder sind Starla Thornhill von der Texas State University, Jenn Barilla, Jiseon Yang, Rich Davis und Sandhya Gangaraju von der Arizona State University, sein Sohn Alistair McLean und Mark Ott von der NASA.

Das Team untersucht die Auswirkungen eines Weltraumfluges auf die Bildung von Biofilmen mithilfe der konfokalen Mikroskopie und anderer Technologien. Das Experiment wird dazu beitragen, wichtige Fragen zu Biofilmen im Weltraum zu beantworten, z. B:

  • Können Biofilme Oberflächen korrodieren, die für das Wassersystem der Internationalen Raumstation (ISS) relevant sind?
  • Wie wirksam sind Desinfektionsmittel zur Beseitigung von Biofilmen?
  • Welche bakteriellen Gene sind am Biofilmwachstum und an der Korrosion von Edelstahloberflächen unter Mikrogravitationsbedingungen beteiligt?

Die Risiken von Biofilmen für die Gesundheit und Sicherheit in der Raumfahrt

Die Beantwortung dieser Fragen ist von entscheidender Bedeutung, da Biofilme nur schwer zu entfernen sind und die Gesundheit der Besatzung auf Langzeit-Raumflügen gefährden können. McLean erklärt dies so: Wenn man versucht, anhaftende Bakterien von einer Oberfläche zu entfernen, stellt man fest, dass sie gegen Wirkstoffe und Desinfektionsmittel sehr widerstandsfähig sind.

Mikroorganismen wie Pseudomonas aeruginosa und Escherichia coli (E. coli), die im BAC-Raumfahrtexperiment verwendet werden, bilden leicht Biofilme, die:

  • dafür bekannt sind, dass sie gegen herkömmliche Reinigungsmethoden sehr resistent sind
  • auch Wasseraufbereitungssysteme verunreinigen könnten, was zu Problemen wie Biofouling und Korrosion führt

Auf einem Langzeit-Weltraumflug ist es wichtig, das mikrobielle Wachstum im Wasseraufbereitungssystem zu kontrollieren, damit das produzierte Wasser zum Trinken und für die persönliche Hygiene sicher verwendet werden kann.

Bob erklärt: „Es ist zu teuer, ständig frisches Wasser hochzuschicken, deshalb wird das gesamte Wasser wiederverwendet. Im Wesentlichen werden Urin und Feuchtigkeit aus der Atemluft gesammelt, aufbereitet, gereinigt und als Trinkwasser wiederverwendet. Da es Bakterien gibt, die normalerweise bei jedem Menschen (und somit auch bei den Astronauten) und in den meisten Umgebungen vorhanden sind, werden sich irgendwann Bakterien ansiedeln und Probleme verursachen.“

Die Biofilmbildung ist auch ein wichtiges Merkmal im Infektionsprozess von Mikroorganismen. Ohne Kontrolle können mikrobielle Biofilme die Lebenserhaltungssysteme beschädigen und ein Gesundheitsrisiko für die Astronauten darstellen.

Ein weiteres Problem ist die Ausrüstung.

Bob erklärt: „Das Biofilm-Problem ist nicht nur ein Problem für die Gesundheit der Besatzung, sondern auch für mögliche Schäden an der Ausrüstung. Wenn wir zum Mars fliegen, haben wir es mit einer zwei- bis dreijährigen Expedition zu tun. Der Flug zum Mars dauert abhängig von der jeweiligen Position der Planeten vier bis sechs Monate. Irgendwann befinden sich Erde und Mars dann auf gegenüberliegenden Seiten der Sonne. Man kann also nicht dorthin reisen, umdrehen und sofort zurückfliegen. Man muss etwa ein Jahr dort bleiben, bis die richtige Konstellation wieder vorhanden ist. In dieser Zeit müssen die Intaktheit des Raumschiffs und die Gesundheit der Besatzung gewährleistet werden.“

Dank dieser Forschung können sie neue Strategien zur Eindämmung von Biofilmen in der Langzeit-Raumfahrt entwickeln.

Bob McLean hilft bei der Raumfahrtinokulation im KSC. Zwei Teammitglieder von der Arizona State University (Jiseon Yang stehend und Sandhya Gangaraju sitzend) assistieren.

Vorbereitungen für das Weltraumexperiment mit konfokaler Mikroskopie

Zur Vorbereitung des Weltraumexperiments verwendeten Bob McLean und sein Team an der Texas State University das konfokale Laserscanning-Mikroskop FV1000 von Olympus und ein 60-faches Wasserimmersionsobjektiv, um 3D-Bilder von bakteriellen Biofilmen auf Fluggeräten aufzunehmen, die für das ISS-Wassersystem relevant sind.

Anhand dieser Bilder konnten sie die Lage des Biofilms, die Bakterienpopulationen und die Struktur der hydratisierten Biofilme identifizieren. Die Bakterien waren mit Hilfe des konfokalen Mikroskops leicht zu unterscheiden, da sie Gene für fluoreszierende Proteine enthielten.

So enthielt beispielsweise das Bakterium Pseudomonas aeruginosa grün fluoreszierendes Protein (GFP) und Escherichia coli den Farbstoff mCherry. Auf den folgenden Bildern sind die unterschiedlichen Farben grün und rot gut zu erkennen:

Biofilm unter dem Mikroskop

Konfokale Aufnahmen von Biofilmen auf Fluggeräten. Links: Biofilme (Pseudomonas aeruginosa, grün) auf Teflon. Rechts: Biofilme (Escherichia coli, rot und Pseudomonas aeruginosa, grün) auf Edelstahl.

Diese experimentellen Daten führten zu einem wichtigen Meilenstein: Der Genehmigung des Flugexperiments im SpaceX CRS-21 durch die NASA. Auch heute noch verwenden sie ein konfokales Mikroskop von Olympus an der Texas State University, um weitere Forschungen für das Biofilm-Experiment und andere Projekte durchzuführen.

Die Vorteile der Verwendung konfokaler Laserscanning-Mikroskope für die Biofilmforschung

McLean und sein Team an der Texas State University verwenden inzwischen das konfokale Laserscanning-Mikroskop FV3000. Alissa Savage, die das Analysis Research Service Center (ARSC) an der Texas State University leitet, erklärte, warum sie das konfokale Mikroskop von Olympus so gerne verwendet.

Alissa begründet dies wie folgt: „Es gibt zwei wichtige Aspekte. Da ist zum einen die Benutzerfreundlichkeit. Ich kann bestätigen, dass das FV3000 viel benutzerfreundlicher ist als das FV1000, was fantastisch ist. Zweitens sind die Techniker von Olympus verfügbar, die bei Fragen und Nachforschungen jederzeit helfen. Diese beiden Dinge sind es, die Olympus im Vergleich zu einigen Mitbewerbern für mich auszeichnen.“

Konfokales Laserscanning-Mikroskop im Einsatz für die Biofilmforschung

Alissa Savage schult einen neuen Benutzer am konfokalen Laserscanning-Mikroskop FV3000

Bob McLean erläuterte, warum die konfokale Bildgebung für seine Biofilmforschung so wichtig ist.

„Auch wenn die Elektronenmikroskope eine viel höhere Auflösung bieten würden, liegt der Vorteil der konfokalen Mikroskopie darin, dass man hydratisierte und sogar lebende Materialien betrachten kann und keine Dehydratisierungsartefakte erhält, wie sie bei der Transmissionselektronenmikroskopie und der Rasterelektronenmikroskopie aufgrund des erforderlichen hohen Vakuums entstehen.“

„Es funktioniert wunderbar mit unseren Proben“, fügte er hinzu.

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Manager Life Science Applications Group

James Lopez received his Ph.D. in biomedical sciences from the University of Chicago in 2010. With nearly a decade of experience in calcium imaging, FRET, live cell imaging, and intravital imaging, James joined Olympus as a confocal and multiphoton sales representative. He later transitioned to the Olympus Life Science Applications Group supporting confocal and multiphoton systems. Now he manages the Life Science Applications Group in the US, Canada, and Latin America markets.

15.7.2021
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