Kviečiame skaityti ketvirtąjį 2024 m. konkurso darbą!
Daugiau apie šį mokslo populiarinimo konkursą skaitykite ČIA.

Goda Mažeikaitė

Sveiki visi kosmoso technologijų ir astrobiologijos entuziastai! Šiandien leiskimės į kosmose gyvuojančios mikrobiologijos pažinimo pasaulį ir patyrinėkime ypač potencialią biofotonikos technologiją, kuri galėtų išspręsti astronautus kamuojančias problemas ir naikinti daug žalos darančias bakterinių patogenų bioplėveles.

Visur, kur mes esame, nešamės įvairius mikroorganizmus su mumis, norime to, ar ne. Žmogaus mikrobiotą sudaro įvairios bakterijos, virusai, eukariotai ir kiti mikroorganizmai, bendrai vadinami archėjomis. Šie mikrobai, randami ant odos, organizmo viduje, yra ypač svarbūs – prisideda prie medžiagų apykaitos ir imuninės sistemos funkcijų stiprinimo [1]. Todėl net ir visiškai sterilioje tarptautinėje kosminėje stotyje, kuri yra uždara, kartu su astronautų įgula atkeliauja ir gyvena tūkstančiai mikrobų. Grupė Jet Propulsion Labaratory (JPL) mokslininkų 2019 metais ištyrė tarptautinėje kosminėje stotyje (TKS) randamus mikroorganizmus, siekdami išsiaiškinti jų kilmę. Iš to mokslininkai padarė išvadą, jog dvi dažniausiai sutiktos bakterijos – Enterobacteriaceae ir Staphylococcaceae yra užaugusios žmogaus organizme, paprastai randamos ant odos, nosies, pilvo ertmėse. [2] Šios sunkiai išvengiamos palydovės esant mikrogravitacijos sąlygoms keičia savybes ir tampa dar sunkiau išnaikinamos, nei Žemėje. Tai gali sukelti rimtų problemų (1 pav.)!

1 pav. Tarptautinėje kosminėje stotyje užsiveisę mikrobai. Kairėje – pelėsis ant sienos TKS. Dešinėje – grybelis iš TKS. (Šaltinis: NASA)

Dar 2006 metais mikrobiologė Cheryl Nickerson atliko salmonelių bakterijų tyrimą. Šių bakterijų kolonija sandariame inde skrido Atlantis erdvėlaiviu, kur mikrogravitacijos sąlygomis praleido 11 dienų, o grįžus į Žemę, šiomis bakterijomis buvo užkrėsta šimtai tiriamųjų pelių. Tuo pat metu buvo vykdytas identiškas eksperimentas – salmonelės bakterijų kontrolinė grupė liko Žemėje, ja užkrėsta kita pelių kontrolinė grupė. Jau po kelių dienų paaiškėjo, jog kosmose užaugusia salmonele užkrėstos pelės susirgo dažniau ir pradėjo mirti dviem dienomis anksčiau už kontrolinės grupės peles. Tai buvo pirmasis in vivo eksperimentas, įrodęs suaktyvėjusį bakterijų pavojų po kosminio skrydžio. [3] Ši tema yra ypač aktuali ruošiantis astronautų misijoms į Marsą, juk bakterijų sąveikos pokyčiai yra vis dar nenuspėjami, o misija truks ypač ilgai.

Atspariosios bakterijos turi savybę gyvuoti formuodamos bioplėveles – daugialąstelines regeneruojančias funkcines bendruomenes, kurios susiformavusios tampa mažiau jautrios įprastų antimikrobinių priemonių poveikiui, tokių kaip antibiotikai, cheminės dezinfekcijos priemonės, taip pat natūraliam žmogaus imuninės sistemos pasipriešinimui [4] (2 pav.).

2 pav. Brevundimonas sp. ESA1 bakterinių patogenų bioplėvelių, randamų kosminiuose laivuose, SEM nuotrauka. [2]

Šios bioplėvelės dažnai formuojasi sunkiai pasiekiamose, drėgnose vietose – vamzdynuose, vidinėse sistemose, uždengtose plokštėmis, tarp elektronikos prietaisų, klimato kontrolės ir vandens perdirbimo sistemose. [5] Susiformavus bioplėvelėms atsiranda reali grėsmė įrangos veiksmingumui ir astronautų sveikatai.

Tačiau šiai problemai spręsti yra vystoma keletas antimikrobinių priemonių. Europos kosmoso agentūroje yra plėtojamos savaiminio nusivalymo dangos, paviršių padengiant titano oksidu (3 pav.). Titano oksidas, apšviestas UV šviesos, reaguoja su vandens garų lašeliais, esančiais ore ir skaido laisvuosius deguonies radikalus, kurie žudančiai veikia visas bakterijas. [6]

3 pav. Titano oksido savaiminio nusivalymo dangų veikimo schema. (Šaltinis: ESA)

Kita puiki antimikrobinė technologija, tyrinėjama ir Lietuvoje, yra antimikrobinė fotodinaminė terapija. Šis metodas yra biologijos, chemijos ir fizikos bendradarbiavimo rezultatas, pirmą kartą pradėtas tyrinėti prieš kelis dešimtmečius ir jau taikomas medicinoje. Antimikrobinės fotodinaminės terapijos svarbiausi kompenentai: šviesai jautri medžiaga, vadinama fotosensibilizatoriumi, atitinkamo bangos ilgio šviesa fotosensibilizatoriui aktyvuoti ir deguonis (4 pav). Sujungus šiems trims veiksniams į vieną, sužadinamos fotooksidacinės reakcijos, kurių metu išsiskiria ląsteles žudančios reaktyvaus deguonies formos. Šiuo metodu pasiekiamas norimas aukštesnis sterilumo lygis, naikinamos bakterinių patogenų bioplėvelės, randamos ant įvairių paviršių, maiste, vandenyje.

Taip pat, naikinami net ir virusai, grybai – tai ypač platus veikimo spektras, lyginant su antibiotikais, veikiančiais tik prieš bakterijas. Kitas antimikrobinės fotodinaminės terapijos privalumas – minėtos ląsteles žudančios reaktyvaus deguonies formos išsiskiria vos per kelias sekundes, todėl procesas greitas ir veikia lokaliai vietas, padengtas fotosensibilizatoriumi. Be to, bakterijos negeba formuoti atsparumo reaktyvaus deguonies formoms, kaip, pavyzdžiui, antibiotikams [5].

4 pav. Fotosensibilizatoriaus riboflavino aktyvacija mėlyna šviesa. (Šaltinis: fotonikos ir nanotechnologijų institutas).

Įdomu, jog šią novatorišką technologiją tiria ir vysto Vilniaus universiteto mokslininkai, fizikos fakulteto fotonikos ir nanotechnologijų instituto apšvietimo grupėje, kuriai vadovauja dr. Pranciškus Vitta. Ši grupė tiria natūralius fotosensibilizatorius: maisto dažiklį, iš augalų išskiriamą chlorofiliną ir vitaminą B2 – riboflaviną. Tyrinėjant fotosensibilizatorius, mokslininkams svarbu sužinoti jų spektrines savybes, taip sužinoma apie jų sandarą, kaip šios savybės keičiasi kintant tirpalo koncentracijoms, vertinamas medžiagos stabilumas šviesoje. Tiriant šviesos sugerties spektrus fotometrijos metodais nustatoma, kuris šviesos bangos ilgis, kitaip tariant kokios spalvos šviesa geriausiai aktyvuos medžiagą ir atskleis didžiausią fotosensibilizatoriaus potencialą. Šis parametras yra labai svarbus renkantis, kurį fotosensibilizatorių geriausia naudoti pasirinktam pritaikymui, juk šios spalvos lempas teks sumontuoti kosminiame laive, norint taikyti inaktyvaciją fotodinamine terapija! Fotonikos ir nanotechnologijų instituto mokslininkė dr. Irina Buchovec teigia, jog netinkamai parinkta šviesa gali būti kenksminga žmogaus organizmui, kaip pavyzdžiui ultravioletinė spinduliuotė, galinti sukelti odos vėžį. Šios grupės tyrimuose naudojama mėlyna šviesa nekenkia žmogui bei prasiskverbia giliaus, nei ultravioletiniai spinduliai dėl ilgesnio bangos ilgio.

Būtent natūralūs fotosensibilizatoriai turi potemcialo sukelti revoliuciją maisto apsaugoje, nes natūraliu fotosensibilizatoriumi padengus šviežius maisto produktus ir reakciją suaktyvinus mėlyna šviesa, maistą būtų galima suvalgyti jo net nenuplovus! Tai neįtikėtinai naudinga siekiant kosmoso sąlygose pratęsti šviežių produktų galiojimo laiką, apsaugoti kosminėje stotyje augančius vaisius ir daržoves nuo ligų, ir taupyti ypač brangius vandens išteklius.

Bakterijų patogenų bioplėvelės yra gana nenuspėjamos ir ypač grėsmingos žmogui ir erdvėlaiviui. Tačiau kartu sutelkus jėgas į mokslinius tyrimus, galima atrasti priemonių veiksmingai apsaugai, kurios nekenktų žmogui.

[1] Ogunrinola GA, Oyewale JO, Oshamika OO, Olasehinde GI. The Human Microbiome and Its Impacts on Health. Int J Microbiol. 2020 Jun
12;2020:8045646. doi: 10.1155/2020/8045646. PMID: 32612660; PMCID: PMC7306068.

[2] Checinska Sielaff, A., Urbaniak, C., Mohan, G.B.M. et al. Characterization of the total and viable bacterial and fungal communities associated
with the International Space Station surfaces. Microbiome 7, 50 (2019). https://doi.org/10.1186/s40168-019-0666-x

[3] Wilson, J et al. (2007). Space flight alters bacterial gene expression and virulence and reveals a role for global regulator Hfq. Proceedings of
the National Academy of Sciences of the United States of America. 104. 16299-304. 10.1073/pnas.0707155104.

[4] Gricajeva A, Buchovec I, Kalėdienė L, Badokas K, Vitta P. Riboflavin- and chlorophyllin-based antimicrobial photoinactivation of
Brevundimonas sp. ESA1 biofilms. Front Cell Infect Microbiol. 2022 Sep 21;12:1006723. doi: 10.3389/fcimb.2022.1006723. PMID: 36262183;
PMCID: PMC9575555.

[5] Buchovec, I.; Gricajeva, A.; Kalėdienė, L.; Vitta, P. Antimicrobial Photoinactivation Approach Based on Natural Agents for Control of
Bacteria Biofilms in Spacecraft. Int. J. Mol. Sci. 2020, 21, 6932. https://doi.org/10.3390/ijms21186932

[6] Self-cleaning spacecraft surfaces to combat microbes. 2022 May 23.
https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Engineering_Technology/Self-cleaning_spacecraft_surfaces_to_combat_microbes