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太空中的生物膜——激光扫描共聚焦显微镜为NASA研究实验提供帮助

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用于生物膜研究的激光扫描共聚焦显微镜

我们致力于设计能够帮助将您的世界变得更健康、更安全的显微镜。而现在涉及长期太空任务的全新研究中,我们的激光扫描共聚焦显微镜技术正在帮助科学家研究地球以外的事物。

NASA一项研究细菌生物膜及其对宇航员健康和系统安全影响的实验就是其中一个例子。继续阅读了解有关太空飞行实验以及共聚焦显微镜如何为其提供帮助的更多信息。

探索在地球和太空中的生物膜

粘附在表面的细菌群落(也称生物膜)在我们周围随处可见。河流岩石上的粘液、水槽排水管内的“黏液”或在牙齿上形成的牙菌斑都是一些常见的地球生物膜例子。

那么细菌能够在低重力条件下附着在物体表面上吗?

1998年,得克萨斯州立大学的Robert a€?Boba€? McLean教授在着手解决这一问题的同时还帮助一群八年级学生完成了一个科学博览会项目。他们的微重力生物膜实验搭载在STS-95航天飞机上,于1998年10月29日从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空。

STS-95微重力生物膜实验

Bob McLean和他的两个儿子采集了STS-95微重力生物膜实验的结果

他们最终发表了第一篇表明细菌可在微重力下形成生物膜的论文,而这一发现引起了美国国家航空航天局(NASA)的注意。

细菌粘附和腐蚀(Bacterial Adhesion and Corrosion, BAC)太空飞行实验

随着宇航员开始通过长期太空飞行探索遥远目的地,确保其在整个任务期间的安全和健康就成为美国宇航局的首要任务。处于对于在航天器上形成生物膜的顾虑,他们求助于Bob展开新的研究。

细菌粘附和腐蚀(BAC)太空飞行实验于2020年12月搭载SpaceX CRS-21发射升空,该实验以Bob为首席研究员,亚利桑那州立大学的Cheryl A. Nickerson为联合首席研究员。其他团队成员包括来自德克萨斯州的Starla Thornhill、来自亚利桑那州的Jenn Barilla、Jiseon Yang、Rich Davis和Sandhya Gangaraju、他的儿子Alistair McLean以及来自NASA的Mark Ott。

该团队正在利用共聚焦显微镜以及其他技术研究太空飞行对生物膜形成的影响。这一实验将有助于回答有关太空生物膜的许多重要问题,其中包括:

  • 生物膜是否会腐蚀国际空间站(International Space Station, ISS)水系统的相关表面?
  • 使用消毒剂清除生物膜的效果如何?
  • 微重力条件下不锈钢表面的生物膜生长和腐蚀涉及哪些细菌基因?

生物膜对于太空飞行健康和安全的风险

寻找这些问题的答案至关重要,原因在于生物膜很难去除,并会导致长期太空旅行中的乘员健康问题。Bob解释说,表面粘附的细菌很难去除,原因是其往往具有极强的耐药性和耐消毒剂性。

BAC太空飞行实验中所使用的微生物,如铜绿假单胞菌大肠杆菌(E.coli)都非常容易形成生物膜,而已知这类生物膜

  • 对传统清洁方法具有极强的耐受力,
  • 并可能污染水处理系统,造成生物污染和腐蚀等问题。

在长时间太空飞行中,控制水处理系统中微生物的生长对于生产安全饮用水和个人卫生至关重要。

Bob解释说,“输送淡水的成本过于高昂,因此他们将所有的水回收利用。实质上,尿液和呼吸中的湿气都可以在经过收集、处理、净化后重新作为饮用水使用。由于包括宇航员在内的所有人类和大多数环境通常都会存在细菌,所以总会在某个时候因细菌菌落造成问题。”

生物膜的形成也是微生物疾病传染过程的一个重要特征。如果不设法控制,微生物生物膜就会破坏生命支持系统并对宇航员构成健康风险。

而设备则是另外一个问题。

Bob解释说:“生物膜问题不仅关系到船员的健康,也与潜在的设备损坏有关。如果前往火星,我们就要面临两到三年的远征。根据行星相对位置不同,飞向火星需要四到六个月。并且在某些时间,地球和火星位于太阳的两侧,所以不能到达火星之后就掉头飞回来。需要在那里等待大约一年才能再次启程。所以在此期间,航天器和机组人员的健康状况均须加以考虑。”

这项研究将会帮助他们为长期太空飞行中的生物膜制定全新缓解策略。

Bob McLean帮助KSC进行太空飞行接种。两名团队成员来自亚利桑那州立大学(站立者为Jiseon Yang,坐着的为Sandhya Gangaraju)。

利用共聚焦显微镜为太空飞行实验做好准备

为了准备太空飞行实验,Bob和他的团队在德克萨斯州使用奥林巴斯FV1000激光共聚焦扫描显微镜和60X水浸物镜拍摄与ISS水系统相关飞行硬件上的细菌生物膜3D图像。

这些图像让他们能够辨别水合生物膜上的生物膜位置、细菌种群和结构。由于细菌含有荧光蛋白基因,因此使用共聚焦显微镜很容易分辨。

例如,铜绿假单胞菌含有绿色荧光蛋白(GFP),而大肠杆菌含有mCherry。您可以在下图中看到明显的绿色和红色:

显微镜下的生物膜

飞行硬件上生物膜的共聚焦图像。左图:Teflon聚合物上的生物膜(铜绿假单胞菌,绿色)。右图:不锈钢上的生物膜(大肠杆菌,红色和铜绿假单胞菌,绿色)。

这一实验数据最终推动实现了一个重要里程碑:NASA授权在SpaceX CRS-21上进行飞行实验。今天,他们仍在德克萨斯州使用奥林巴斯共聚焦显微镜对生物膜和其他项目进行更进一步的研究。

利用激光扫描共聚焦显微镜进行生物膜研究的优势

Bob和他在德克萨斯州立大学的团队现在已经将显微镜升级为FV3000激光扫描共聚焦显微镜。负责管理德克萨斯州立大学核心设施—分析研究服务中心(ARSC)的Alissa Savage解释了她为何偏爱奥林巴斯共聚焦显微镜。

Alissa说:“主要有两个方面。其中之一就是易用性。可以说从FV1000到FV3000的人性化体验越来越棒。其次,无论任何时候出现问题和任何情况,技术人员都能够提供帮助。与一些竞争对手相比,奥林巴斯在这两方面让我印象最为深刻。”

用于生物膜研究的激光扫描共聚焦显微镜

Alissa Savage使用FV3000共聚焦激光扫描显微镜培训新用户

Bob特别强调了共聚焦成像为何对他们的生物膜研究至关重要。

“虽然电子显微镜能够提供更高的分辨率,但共聚焦的优势在于可以观察水合材料甚至是活体材料,而不会因为透射电子显微镜和扫描电子显微镜的高真空要求造成脱水伪影。”

“它非常适合观察我们的样品,”他补充道。

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生命科学应用部门经理

James Lopez于2010年获得芝加哥大学生物医学专业的博士学位。James在钙成像、FRET、活细胞成像和活体成像方面拥有近十年的经验,在加入奥林巴斯后担任共聚焦和多光子销售代表。随后,他转入为共聚焦和多光子系统提供支持的奥林巴斯生命科学应用部门。目前,他负责管理美国、加拿大和拉丁美洲市场的生命科学应用部门。

2021年7月15日
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