Kaip erdvėlaiviuose pasiekti sterilumą? Prie to prisideda ir Lietuvoje dirbantys mokslininkai Mokslo populiarinimo konkursas

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 NASA Reaktyvinių variklių laboratorijos (JPL) mokslininkų 2019 metais ištyrė tarptautinėje kosminėje stotyje (TKS) randamus mikroorganizmus, siekdami išsiaiškinti jų kilmę. Iš to mokslininkai padarė išvadą, kad 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!

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].

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. Titano oksidas, apšviestas UV šviesa, reaguoja su vandens garų lašeliais, esančiais ore ir skaido laisvuosius deguonies radikalus, kurie žudančiai veikia visas bakterijas. [⁶]

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].

Įdomu, kad 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, kad 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 giliau, nei ultravioletiniai spinduliai – dėl ilgesnio bangos ilgio.

Būtent natūralūs fotosensibilizatoriai turi potencialo 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 bei erdvėlaiviui. Tačiau kartu sutelkus jėgas į mokslinius tyrimus, galima atrasti priemonių veiksmingai apsaugai, kurios nekenktų žmogui.