麻省理工学院的工程师们找到了一种保护微生物免受极端环境影响的方法

麻省理工学院的研究人员现在已经开发出一种新的方法，使微生物能够承受极端条件，如高温和用于将微生物配制成粉末或药丸以长期储存的制造过程。

　　

用于健康、农业或其他应用的微生物需要能够承受极端条件，理想情况下，用于制造长期储存的片剂的制造过程。麻省理工学院的研究人员现在已经开发出一种新方法，使微生物能够承受这些极端条件。

他们的方法是将细菌与食品和药物添加剂混合，这些添加剂来自FDA分类为“通常被认为是安全的”化合物清单。研究人员确定了有助于稳定几种不同类型微生物的配方，包括酵母和细菌，他们表明这些配方可以承受高温、辐射和工业加工，这些都可以破坏未受保护的微生物。

在一个更极端的测试中，一些微生物最近从国际空间站返回，由休斯顿航天中心科学与研究经理菲利斯·弗里洛协调，研究人员现在正在分析微生物如何能够承受这些条件。

“这个项目的目的是在极端条件下稳定生物体。我们真的在考虑广泛的应用，无论是太空任务、人类应用还是农业用途，”麻省理工学院机械工程副教授、布里格姆妇女医院的胃肠病学家乔瓦尼·特拉弗索说，他是这项研究的资深作者。

米格尔·希门尼斯(Miguel Jimenez)曾是麻省理工学院(MIT)的研究科学家，现在是波士顿大学(Boston University)生物医学工程助理教授，他是这篇论文的主要作者，论文将发表在《自然材料》(Nature Materials)杂志上。

在极端条件下生存

大约六年前，在美国宇航局太空健康转化研究所(TRISH)的资助下，特拉弗索的实验室开始研究新方法，使益生菌和微生物疗法等有益细菌更具弹性。首先，研究人员分析了13种市售益生菌，发现其中6种产品的活菌含量没有标签上标明的那么多。

特拉弗索说:“我们发现，也许并不奇怪，存在差异，而且可能是显著的。”“那么下一个问题是，鉴于此，我们能做些什么来帮助这种情况?”

在他们的实验中，研究人员选择了四种不同的微生物:三种细菌和一种酵母。这些微生物是大肠杆菌Nissle 1917，一种益生菌;Ensifer meliloti，一种可以在土壤中固定氮以支持植物生长的细菌;植物乳杆菌，一种用于发酵食品的细菌;还有博拉氏酵母菌，它也被用作益生菌。

当微生物用于医疗或农业应用时，它们通常通过一种称为冻干的过程干燥成粉末。然而，它们通常不能被制成更有用的形式，如片剂或药丸，因为这个过程需要暴露在有机溶剂中，这可能对细菌有毒。麻省理工学院的研究小组开始寻找能够提高微生物在这种加工过程中生存能力的添加剂。

“我们开发了一个工作流程，我们可以从FDA的‘通常被认为是安全的’材料清单中提取材料，并将这些材料与细菌混合和匹配，并询问，在冻干过程中是否存在增强细菌稳定性的成分?”Traverso说。

他们的设置允许他们将微生物与大约100种不同成分中的一种混合，然后培养它们，看看哪种在室温下储存30天后存活得最好。这些实验揭示了不同的成分，主要是糖和肽，对每种微生物最有效。

然后，研究人员选择了大肠杆菌Nissle 1917进行进一步优化。这种益生菌已被用于治疗“旅行者腹泻”，这是一种因饮用水被有害细菌污染而引起的疾病。研究人员发现，如果他们将咖啡因或酵母提取物与一种名为美利二糖的糖结合起来，他们就可以制造出一种非常稳定的大肠杆菌尼索尔1917配方。这种混合物被研究人员称为配方D，在37摄氏度的条件下储存六个月后，微生物的存活率超过10%，而市售的大肠杆菌尼塞尔1917配方在这些条件下仅11天后就失去了所有的活力。

配方D还能承受更高水平的电离辐射，高达1000格瑞。(在地球上，典型的辐射剂量大约是每天15微格雷，在太空中，大约是每天200微格雷。)

研究人员并不确切知道他们的配方是如何保护细菌的，但他们假设添加剂可能有助于在补液过程中稳定细菌细胞膜。

压力测试

研究人员随后表明，这些微生物不仅能在恶劣的条件下生存，而且在这些条件下也能保持它们的功能。研究人员发现，将Ensifer meliloti暴露在高达50摄氏度的温度下后，它们仍然能够在植物根部形成共生结核，并将氮转化为氨。

他们还发现，当大肠杆菌尼索1917在实验室培养皿中一起生长时，他们的配方能够抑制福氏志贺氏菌的生长，福氏志贺氏菌是中低收入国家腹泻相关死亡的主要原因之一。

去年，这些极端微生物的几个菌株被送往国际空间站，希门尼斯将其描述为“终极压力测试”。

他说:“即使是在地球上的运输到飞行前的验证，以及飞行前的储存都是这次测试的一部分，沿途没有温度控制。”

这些样本最近返回了地球，希门尼斯的实验室正在对它们进行分析。他计划比较保存在国际空间站内的样本与固定在空间站外的样本，以及留在地球上的对照样本。

这项研究是由美国宇航局空间健康转化研究所、休斯顿空间中心、麻省理工学院机械工程系、711人类性能翼和国防高级研究计划局资助的。