Постановщик (-и):
Евстигнеев В.И., ст.н.сотруд., к.м.н.
Рыбальченко О В., профессор, д.б.н.,
ОАО «Биопрепарат»
Область исследования Космическая биотехнология, бактериальные биопленки
К настоящему времени накопилось значительное количество данных о том, что микроорганизмы в естественных условиях обитания существуют преимущественно в виде достаточно сложно организованных микробных сообществ, получивших название биопленки.
В основном биопленки можно охарактеризовать как бактерии, находящиеся в толстом слизистом слое, состоящем из сахаров и протеинов. Этот пленочный барьер защищает микроорганизмы от внешних воздействий.
Биоплёнки могут расти на различных живых и неживых поверхностях, включая оборудование, механизмы, трубопроводы, стены, защитные экраны, еду и биомедицинские имплантаты, заменяющие колено или бедро, подводные камни,
Показано, что микробные биопленки ответственны за этиологию и патогенез многих острых и, особенно, хронических бактериальных инфекций у человека. В природных экосистемах биопленка – почти неизменно многовидовое микробное сообщество, где каждый микроорганизм находится в собственной микронише в едином матриксе биопленки.
Представление о биопленках изменяет подходы к диагностике и лечению инфекционных поражений в самых различных областях медицины. Заболевания, связанные с развитием биопленок, принимают хроническую форму, трудны для лечения, имеют высокую частоту рецидивов, большинство из них может явиться причиной летального исхода.
Исследования, проводимые российскими и американскими учеными на МКС, показали, что под воздействием факторов космического полета меняются свойства бактерий. Полученные результаты свидетельствуют о мутации штаммов сальмонеллы на орбите, связанной с возрастанием патогенности клеток. Кроме того, после космического путешествия бактерии стали более устойчивы к действию антибиотиков.
Патогенность бактерий возросла более чем в три раза. Кроме того, сальмонеллы начали объединяться, образуя тонкий слой — биопленку, что делает любые микроорганизмы чрезвычайно опасными.
Исследователи также сообщают об изменении морфологии бактериальной колонии при образовании биопленки. В условиях невесомости биопленка сальмонелл развивалась иначе, чем на Земле.
К настоящему времени недостаточно изучены не только механизмы формирования биоплёнок, но их структура. Исследование методами электронной микроскопии ультраструктуры бактериальных биоплёнок, полученных как в условиях микрогравитации, так и в наземных условиях, могли бы выявить ряд недостаточно исследованных этапов и закономерностей в механизме формировании бактериальных биоплёнок.
Начиная с 2015г, на МКС начата реализация космического эксперимента «Биопленка». Основной целью эксперимента является исследование влияния факторов космического полета на формирование бактериальных биоплёнок.
Суть эксперимента заключается в химической фиксации этапов формирования биопленок в условиях МКС.
Краткое описание эксперимента
Объектами исследования являются бактериальные штаммы, применяемые в научных исследованиях (непатогенные).
Эксперимент выполняется в два этапа. Число сеансов КЭ на РС МКС по первому этапу – 6, число сеансов по второму этапу – 6. Длительность одного сеанса от 5 до 25 дней.
На первом этапе используется имеющаяся аппаратура «Константа» , на втором этапе будет использоваться вновь создаваемая аппаратура «Биопленка».
На Земле емкости укладки заправляются рабочими растворами: исходной культурой, питательной средой и фиксирующей жидкостью.
Для проведения эксперимента на борт МКС доставляется и используется на первом этапе укладка «Константа», на втором этапе реализации КЭ на станцию доставляется укладка «Биопленка»
В ходе сеанса член экипажа обеспечивает размещение укладки с образцами в термостате при температуре +(25 +37)°С. По истечении заданного времени укладка извлекается из термостата и проводится химическая фиксация биоматериала, путём передавливания жидкостей из рабочих ёмкостей в камеру смешения. После химической фиксации биоматериала укладки на борту МКС должны хранится при температуре +4± 20 С.
Длительность интервала времени от момента доставки экспериментального материала на борт РС МКС до начала активной части эксперимента – не более 3-х суток.
После возвращения на Землю проводится исследование ультраструктуры летных образцов.
Задачи, решаемые в процессе проведения КЭ на первом этапе:
– изучение влияния ФКП на устойчивость бактериальных биопленок
и структурные особенности биополимернго матрикса (БПМ) после адаптации
бактерий к условиям космического полета.
Задачи, решаемые в процессе проведения КЭ на втором этапе:
– выявление закономерностей воздействие факторов космического
полета на этапы развития биопленок и особенности формирования бактериальных
биоплёнок;
– определение методов управления процессом пленкообразования микроорганизмами в условиях невесомости с целью разрушения вредных биообразований и стимуляции развития биопленок пробиотическими симбионтами.
Использование результатов эксперимента на Земле
Полученные данные будут положены в основу создания новых антибактериальных средств и новых дезинфектантов как на Земле, так и для обработки поверхностей модулей пилотируемого комплекса .
Терапевтическое воздействие на биопленки может быть направлено на механизмы первоначальной адгезии бактерий к поверхности, блокирование синтеза или разрушение полимерного матрикса, нарушение межклеточного обмена информацией, а также оно может сочетаться с собственно бактерицидными агентами. Подобное воздействие, действующее на структуру или функции биопленок может оказаться более эффективным, чем стандартная антибактериальная терапия.
Использование результатов эксперимента для освоения космоса
Результаты проводимых исследований позволят с одной стороны установить методы эффективной борьбы с патогенными биоплёнками в закрытых экосистемах, а с другой сформулировать подходы к формированию искусственно создаваемых биоплёнок на основе пробиотических бактерий необходимых для поддержания здоровья человека.