MIT のエンジニアが極限環境から微生物を守る方法を発見 | MIT ニュース

健康、農業、その他の用途に使用される微生物は、極限の条件、そして理想的には長期保存用の錠剤の製造プロセスに耐えられる必要があります。MIT の研究者たちは、微生物をこれらの極限の条件に耐えられるほど丈夫にする新しい方法を開発しました。

彼らの方法は、FDA が「一般的に安全とみなされる」と分類している化合物のリストにある食品添加物や医薬品添加物と細菌を混合するというものである。研究者らは、酵母や細菌を含む数種類の微生物を安定化させるのに役立つ配合を特定し、これらの配合が、保護されていない微生物にダメージを与える可能性のある高温、放射線、工業的処理に耐えられることを示した。

さらに過酷なテストとして、ヒューストン宇宙センターの科学研究マネージャー、フィリス・フリエロ氏の調整の下、微生物の一部が最近国際宇宙ステーションへの旅から帰還し、研究者らは現在、微生物がそれらの環境にどの程度耐えられたかを分析している。

「このプロジェクトの目的は、極限環境下で生物を安定させることです。宇宙ミッション、人間への応用、農業への利用など、幅広い応用を考えています」と、MIT機械工学准教授でブリガム・アンド・ウィメンズ病院の消化器専門医であり、この研究の主任著者でもあるジョバンニ・トラヴェルソ氏は言う。

元MIT研究者で現在はボストン大学の生物医学工学助教授であるミゲル・ヒメネス氏が、 紙、今日では 自然素材。

極限の状況を生き抜く

約 6 年前、NASA の宇宙保健トランスレーショナル リサーチ研究所 (TRISH) からの資金提供を受けて、トラヴェルソの研究室は、プロバイオティクスや微生物療法などの有益な細菌の耐性を高めるための新しいアプローチに取り組み始めました。まず、研究者は市販のプロバイオティクス 13 種類を分析し、そのうち 6 種類にはラベルに表示されているほど多くの生きた細菌が含まれていないことを発見しました。

「私たちが発見したのは、おそらく驚くことではないが、違いがあり、それが重大なものである可能性があるということでした」とトラヴェルソ氏は言う。「そこで次の疑問は、このことを踏まえて、状況を改善するために何ができるかということでした。」

研究者たちは実験のために、3種類の細菌と1種類の酵母の4種類の微生物に焦点を当てました。これらの微生物は 大腸菌 プロバイオティクスの Nissle 1917; エンシファー・メリロティ土壌中の窒素を固定して植物の成長を助ける細菌。 乳酸菌植物食品を発酵させるために使用される細菌、および酵母 サッカロミセス・ボウラディプロバイオティクスとしても使用されます。

微生物を医療や農業に利用する場合、通常は凍結乾燥と呼ばれるプロセスで粉末状に乾燥させます。しかし、このプロセスでは細菌に有毒な有機溶媒にさらす必要があるため、通常は錠剤やピルなどのより有用な形にすることはできません。MIT チームは、微生物がこの種の処理に耐えられる能力を高める添加物を見つけることに着手しました。

「私たちは、FDA の「一般的に安全とみなされる」材料リストから材料を取り出し、それを細菌と混合して、凍結乾燥プロセス中に細菌の安定性を高める成分があるかどうかを調べるワークフローを開発しました」と Traverso 氏は言います。

彼らの装置では、微生物を約 100 種類の異なる成分の 1 つと混合し、それらを培養して、室温で 30 日間保存した場合にどれが最もよく生き残るかを調べることができます。これらの実験により、主に糖とペプチドであるさまざまな成分が、微生物のそれぞれの種に最もよく機能することが明らかになりました。

研究者たちは微生物の一つを選び、 大腸菌 ニスル1917は、さらなる最適化のためにこのプロバイオティクスを開発した。このプロバイオティクスは、有害な細菌に汚染された飲料水によって引き起こされる「旅行者下痢」の治療に使用されている。研究者らは、カフェインまたは酵母エキスをメリビオースと呼ばれる糖と組み合わせると、非常に安定した処方を作ることができることを発見した。 大腸菌 研究者が処方Dと呼んだこの混合物は、微生物を37℃で6か月間保存した後でも10％以上の生存率を可能にしたが、市販の処方では 大腸菌 Nissle 1917 は、このような状況下ではわずか 11 日後には生存能力を完全に失いました。

処方 D は、1,000 グレイまでのはるかに高いレベルの電離放射線にも耐えることができました。(地球上の一般的な放射線量は 1 日あたり約 15 マイクログレイで、宇宙では 1 日あたり約 200 マイクログレイです。)

研究者たちは、この配合剤が細菌をどのように保護するのか正確にはわかっていないが、添加物が再水和中に細菌の細胞膜を安定させるのに役立つのではないかと仮説を立てている。

ストレステスト

研究者らは、これらの微生物が過酷な環境に耐えられるだけでなく、曝露後も機能を維持できることを示した。 エンシファー・メリロティ 研究者らは、50度までの温度にさらされても、細菌は依然として植物の根に共生根粒を形成し、窒素をアンモニアに変換できることを発見した。

彼らはまた、 大腸菌 ニスル1917は、 シゲラフレックスネリ低・中所得国における下痢性疾患による死亡の主な原因の一つである細菌を、実験室の皿の中で一緒に培養したところ、その効果が明らかになった。

昨年、これらの極限環境微生物のいくつかの株が国際宇宙ステーションに送られたが、ヒメネス氏はこれを「究極のストレステスト」と表現している。

「地球上での輸送から飛行前の検証、そして飛行までの保管もこのテストの一部であり、途中で温度管理は一切行われません」と彼は言う。

サンプルは最近地球に帰還し、ヒメネス氏の研究室で現在分析中だ。彼はISS内に保管されていたサンプルと、ISSの外側にボルトで固定されていたサンプル、そして地球上に残された対照サンプルを比較する予定だ。

「この研究は、宇宙空間などの極限環境でプロバイオティクスや遺伝子組み換え微生物の安定性を高める有望なアプローチを提供するもので、将来の宇宙ミッションで宇宙飛行士の健康維持に役立てたり、食糧生産のためのより強靭で回復力のある植物を促進するなど、持続可能性を促進したりする可能性がある」と、この研究には関与していないNASAジェット推進研究所の研究科学者カミラ・アーバニアック氏は言う。

この研究は、NASAの宇宙保健トランスレーショナルリサーチ研究所、ヒューストン宇宙センター、MIT機械工学部、711ヒューマンパフォーマンスウィング、国防高等研究計画局の資金提供を受けて行われた。

この論文の他の著者には、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、James Byrne が含まれます。