工程师找到了一种保护微生物免受极端条件影响的方法

用于医疗、农业或其他用途的微生物需要能够承受极端条件，理想情况下，还必须能够承受用于制造长期储存片剂的制造工艺。麻省理工学院的研究人员现在已经开发出一种新方法，使微生物足够坚韧，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 归类为“一般认为安全”的化合物列表。研究人员确定了有助于稳定几种不同类型微生物(包括酵母和细菌)的配方，并表明这些配方可以承受高温、辐射和工业加工，而这些可能会损害未受保护的微生物。

在一项更为极端的测试中，一些微生物最近从国际空间站返回，此次测试由休斯顿太空中心科学与研究经理菲利斯·弗里洛 (Phyllis Friello) 协调，研究人员目前正在分析这些微生物在这些条件下的承受能力。

“该项目的目的是让生物体在极端条件下保持稳定。我们真正考虑的是一系列广泛的应用，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、布莱根妇女医院胃肠病学家、这项研究的资深作者乔瓦尼·特拉弗索 (Giovanni Traverso) 说。

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

在极端条件下生存

大约六年前，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。作为起点，研究人员分析了 13 种市售益生菌，发现其中 6 种产品所含的活菌数量不如标签上标明的多。

“我们发现——也许这并不奇怪——存在差异，而且差异可能很大，”特拉弗索说。“那么下一个问题是，考虑到这一点，我们能做些什么来改善这种情况?”

在实验中，研究人员选择了四种不同的微生物作为研究对象：三种细菌和一种酵母。这些微生物分别是益生菌大肠杆菌 Nissle 1917;Ensifer meliloti，一种能够固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;以及布拉氏酵母菌，它也是一种益生菌。

当微生物用于医疗或农业用途时，它们通常通过一种称为冻干的过程干燥成粉末。然而，它们通常不能制成更有用的形式，如片剂或药丸，因为这个过程需要接触有机溶剂，而有机溶剂对细菌是有的。麻省理工学院的研究小组着手寻找可以提高微生物在这种加工过程中存活能力的添加剂。

“我们开发了一种工作流程，我们可以从 FDA 的&luo;一般认为是安全的&ruo;材料清单中取出材料，并将其与细菌混合搭配，并询问是否存在可以在冻干过程中增强细菌稳定性的成分?” Traverso 说。

他们的设备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，看看在室温下储存 30 天时哪种成分存活率最高。这些实验揭示了对每种微生物最有效的不同成分，主要是糖和肽。

研究人员随后挑选出其中一种微生物——大肠杆菌 Nissle 1917，进行进一步优化。这种益生菌曾用于治疗“旅行者腹泻”，这是一种因饮用被有害细菌污染的水而引起的疾病。研究人员发现，如果将咖啡因或酵母提取物与一种名为蜜二糖的糖结合起来，他们就能创造出一种非常稳定的大肠杆菌 Nissle 1917 配方。

研究人员将这种混合物称为配方 D，在 37 摄氏度下储存六个月后，微生物的存活率仍超过 10%，而市售的大肠杆菌 Nissle 1917 配方在上述条件下仅仅 11 天后就失去了所有活力。

配方 D 还能承受更高水平的电离辐射，最高可达 1,000 微戈瑞。(地球上的典型辐射剂量约为每天 15 微戈瑞，太空中约为每天 200 微戈瑞。)

研究人员并不确切知道他们的配方如何保护细菌，但他们推测添加剂可能有助于在补水过程中稳定细菌细胞膜。

压力测试

研究人员随后发现，这些微生物不仅能在恶劣条件下生存，而且在暴露后还能保持其功能。当 Ensifer meliloti 暴露在高达 50 摄氏度的温度下时，研究人员发现它们仍然能够在植物根部形成共生结节，并将氮转化为氨。

他们还发现，当将大肠杆菌 Nissle 1917 与大肠杆菌一起在实验室培养皿中培养时，他们制备的大肠杆菌 Nissle 1917 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亡的主要原因之一。

去年，几种嗜极微生物菌株被送往国际空间站，希门尼斯将此描述为“终极压力测试”。

他说：“即使只是从地球上运送到飞行前的验证，以及直到飞行前的储存都是这次测试的一部分，整个过程中没有温度控制。”

这些样本最近被送回地球，希门尼斯的实验室正在对它们进行分析。他计划将国际空间站内保存的样本与固定在空间站外部的样本以及留在地球上的对照样本进行比较。

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