Engenheiros encontram uma maneira de proteger micróbios de condições extremas

O método envolve misturar bactérias com aditivos alimentares e medicamentos de uma lista de compostos que a FDA classifica como “geralmente considerados seguros”. Os pesquisadores identificaram formulações que ajudam a estabilizar vários tipos diferentes de micróbios, incluindo leveduras e bactérias, e mostraram que essas formulações podem suportar altas temperaturas, radiação e processamento industrial que pode danificar micróbios desprotegidos.

Em um teste ainda mais extremo, alguns dos micróbios retornaram recentemente de uma viagem à Estação Espacial Internacional, coordenada pela gerente de ciência e pesquisa do Centro Espacial de Houston, Phyllis Friello, e os pesquisadores agora estão analisando o quão bem os micróbios foram capazes de suportar essas condições.

“O que esse projeto trata é de estabilizar organismos para condições extremas. Estamos realmente pensando em um amplo conjunto de aplicações, sejam missões espaciais, aplicações humanas ou usos agrícolas”, diz Giovanni Traverso, professor associado de engenharia mecânica no MIT, gastroenterologista no Brigham and Women’s Hospital e autor sênior do estudo.

Miguel Jimenez, um ex-cientista pesquisador do MIT que agora é professor assistente de engenharia biomédica na Universidade de Boston, é o autor principal do artigo, que será publicado em Materiais da Natureza.

Sobrevivendo a condições extremas

Cerca de seis anos atrás, com financiamento do Translational Research Institute for Space Health (TRISH) da NASA, o laboratório de Traverso começou a trabalhar em novas abordagens para tornar bactérias úteis, como probióticos e terapêuticas microbianas, mais resilientes. Como ponto de partida, os pesquisadores analisaram 13 probióticos disponíveis comercialmente e descobriram que seis desses produtos não continham tantas bactérias vivas quanto o rótulo indicava.

“O que descobrimos foi que, talvez não surpreendentemente, há uma diferença, e ela pode ser significativa”, diz Traverso. “Então a próxima pergunta foi, dado isso, o que podemos fazer para ajudar a situação?”

Para seus experimentos, os pesquisadores escolheram quatro micróbios diferentes para focar: três bactérias e uma levedura. Esses micróbios são Escherichia coli Nissle 1917, um probiótico; Ensifer melilotiuma bactéria que pode fixar nitrogênio no solo para apoiar o crescimento das plantas; Plantas Lactobacillusuma bactéria usada para fermentar produtos alimentares; e a levedura Saccharomyces boulardiique também é usado como probiótico.

Quando micróbios são usados ​​para aplicações médicas ou agrícolas, eles geralmente são secos em pó por meio de um processo chamado liofilização. No entanto, eles normalmente não podem ser transformados em formas mais úteis, como um comprimido ou pílula, porque esse processo requer exposição a um solvente orgânico, que pode ser tóxico para as bactérias. A equipe do MIT decidiu encontrar aditivos que pudessem melhorar a capacidade dos micróbios de sobreviver a esse tipo de processamento.

“Desenvolvemos um fluxo de trabalho onde podemos pegar materiais da lista de materiais ‘geralmente considerados seguros’ da FDA, misturá-los e combiná-los com bactérias e perguntar se há ingredientes que melhoram a estabilidade das bactérias durante o processo de liofilização?”, diz Traverso.

A configuração deles permite que eles misturem micróbios com um de cerca de 100 ingredientes diferentes e então os cultivem para ver quais sobrevivem melhor quando armazenados em temperatura ambiente por 30 dias. Esses experimentos revelaram diferentes ingredientes, principalmente açúcares e peptídeos, que funcionaram melhor para cada espécie de micróbio.

Os pesquisadores então escolheram um dos micróbios, E. coli Nissle 1917, para otimização adicional. Este probiótico tem sido usado para tratar “diarreia do viajante”, uma condição causada pela ingestão de água contaminada com bactérias nocivas. Os pesquisadores descobriram que se combinassem cafeína ou extrato de levedura com um açúcar chamado melibiose, eles poderiam criar uma formulação muito estável de E. coli Nissle 1917. Esta mistura, que os pesquisadores chamaram de formulação D, permitiu taxas de sobrevivência maiores que 10 por cento após os micróbios terem sido armazenados por seis meses a 37 graus Celsius, enquanto uma formulação comercialmente disponível de E. coli O Nissle 1917 perdeu toda a viabilidade após apenas 11 dias nessas condições.

A Formulação D também foi capaz de suportar níveis muito mais altos de radiação ionizante, até 1.000 grays. (A dose típica de radiação na Terra é de cerca de 15 micrograys por dia, e no espaço, é de cerca de 200 micrograys por dia.)

Os pesquisadores não sabem exatamente como suas formulações protegem as bactérias, mas levantam a hipótese de que os aditivos podem ajudar a estabilizar as membranas celulares bacterianas durante a reidratação.

Testes de estresse

Os pesquisadores então mostraram que esses micróbios não só podem sobreviver a condições adversas, como também mantêm sua função após essas exposições. Depois Ensifer meliloti foram expostos a temperaturas de até 50 graus Celsius, os pesquisadores descobriram que eles ainda eram capazes de formar nódulos simbióticos nas raízes das plantas e converter nitrogênio em amônia.

Eles também descobriram que sua formulação de E. coli Nissle 1917 foi capaz de inibir o crescimento de Shigella flexneriuma das principais causas de mortes associadas à diarreia em países de baixa e média renda, quando os micróbios foram cultivados juntos em uma placa de laboratório.

No ano passado, várias cepas desses micróbios extremófilos foram enviadas para a Estação Espacial Internacional, o que Jimenez descreve como “o teste de estresse definitivo”.

“Até mesmo o envio para a Terra, a validação pré-voo e o armazenamento até o voo fazem parte desse teste, sem controle de temperatura ao longo do caminho”, diz ele.

As amostras retornaram recentemente à Terra, e o laboratório de Jimenez agora as está analisando. Ele planeja comparar amostras que foram mantidas dentro da ISS com outras que foram aparafusadas do lado de fora da estação, bem como amostras de controle que permaneceram na Terra.

A pesquisa foi financiada pelo Instituto de Pesquisa Translacional para Saúde Espacial da NASA, pelo Centro Espacial de Houston, pelo Departamento de Engenharia Mecânica do MIT e pela 711 Human Performance Wing e pela Defense Advanced Research Projects Agency.

Outros autores do artigo incluem Johanna L’Heureux, Emily Kolaya, Gary Liu, Kyle Martin, Husna Ellis, Alfred Dao, Margaret Yang, Zachary Villaverde, Afeefah Khazi-Syed, Qinhao Cao, Niora Fabian, Joshua Jenkins, Nina Fitzgerald, Christina Karavasili, Benjamin Muller e James Byrne.