우주정거장 첨단 균 검사 기술, 지상 폐수 모니터링 혁신에 기여

우주 기술이 지상 팬데믹 대응에 기여하다

코로나19의 지역사회 확산 추적을 통해 공중보건 당국과 개인이 팬데믹 기간 동안 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있는 필수 데이터가 제공되었습니다. 유용했던 방법 중 하나는 지자체 폐수를 수집, 농축, 검사하여 질병을 일으키는 바이러스의 존재 여부를 확인하는 것이었습니다. 이러한 검사가 확대되면서, 우주선 내 병원체를 식별하기 위해 NASA용으로 개발된 기술이 지구상에서 시간 절약과 신뢰할 수 있는 결과를 제공했습니다.

NASA의 우주정거장 미생물 연구

NASA 우주비행사 메건 맥아더가 우주정거장 내부 표면에서 미생물 샘플을 채취하여 밀폐된 거주 환경과 관련된 미생물을 연구하고 승무원 건강에 위협이 될 수 있는 미생물을 예측하고 있습니다. (이미지: NASA)

수년 전 수여된 여러 중소기업 혁신 연구(SBIR) 계약은 미주리주 드렉셀의 InnovaPrep LLC가 기존 생물 농축 공정을 개선하고, 국제우주정거장의 공기, 물, 표면에서 바이러스, 박테리아 및 기타 병원체에 대한 자동화된 검사에 적용하는 데 도움을 주었습니다. 새로운 필터 재료 사용, 공정 개선, 우주용 수정 외에도, 회사는 반자동화 생산 공정을 위한 새로운 제작 단계를 개발했습니다. SBIR 작업 전에는 회사에서 일회용 필터인 피펫을 수작업으로 제작하여 주당 약 200개를 생산했습니다. 이제는 주당 12,000개를 생산하며 수요 증가에 쉽게 대응할 수 있는 시스템을 갖췄습니다.

코로나19 대응에 적시 투입된 기술

개선된 생산 능력은まさに 적시에 갖춰졌습니다. InnovaPrep은 코로나19 모니터링 노력이 본격화되면서 공중보건 부서, 상업용 실험실, 연구원들의 주문을 쉽게 소화할 수 있었습니다. InnovaPrep의 CTO 앤디 페이지는 NASA 덕분에 회사의 AirPrep과 FluidPrep 제품 라인을 발전시킬 수 있었다고 말합니다.

"NASA 과학자들과 많은 좋은 교류를 가졌고 많은 좋은 통찰을 얻었습니다. 그 협업은 초고가치였습니다."라고 그는 말했습니다. "SBIR 프로그램은 그런 자금 지원 없이는 쉽게 발견할 수 없는 것들을 발견하게 해줍니다."

우주 환경에서의 병원체 위험과 자동화 필요성

일부 박테리아와 바이러스를 포함한 병원체는 무중력 상태에서 더 해로워질 수 있으므로, 우주선을 우주비행사에게 안전하게 유지하려면 경계가 필요합니다. 하지만 샘플 수집과 검사는 시간이 많이 드는 작업입니다. NASA 제트추진연구소(JPL)가 자동화를 이용해 이를 더 효율적으로 만들기 위한 노력을 주도했으며, JPL 선임 연구원 카스투리 '벤캣' 벤카테스와란이 InnovaPrep과 협력해 샘플 농축 기술을 우주용으로 수정했습니다.

CP Select 시스템: 신속한 미생물 농축

수 갤런의 물에서 미생물을 몇 온스로 농축해 검사하는 것은 시간이 많이 드는 작업일 수 있습니다. 하지만 NASA 전문 지식의 혜택을 받은 InnovaPrep의 특수 여과 시스템 CP Select는 지구상에서 이를 신속하게 수행할 수 있습니다. (이미지: InnovaPrep LLC)

PCR 검사와 우주에서의 배양 위험

더 빠른 결과를 위한 한 가지 옵션은 중합효소 연쇄 반응(PCR) 검사입니다. PCR은 DNA나 RNA 같은 작은 유전물질 조각을 많은 복사본을 만들어 빠르게 증폭시킵니다. 이는 유전자 검사를 위한 더 큰 샘플을 만들어 박테리아나 바이러스 유형을 더 쉽게 식별하게 합니다. 지구에서 자주 사용되는 살아있는 배양 배양 대신 바이러스나 박테리아의 특정 분자 조각을 표적화하는 것이 우주에서 더 바람직합니다.

"우주에서 미생물을 배양하면 단 한 개의 세포도 수십억 개의 세포가 됩니다. 한 개 세포는 인체 건강에 해를 끼치지 않지만, 밀폐된 시스템에서 그 한 세포를 배양하는 것은 위험합니다."라고 벤카테스와란은 말했습니다. 미세한 미생물을 찾기 어렵기 때문에 NASA는 우주정거장에 무엇이 사는지 알아보기 위한 연구를 수행했습니다.

표면 샘플링 연구와 SBIR 기술의 역할

한 연구에서는 우주비행사들이 무균 천으로 표면을 닦아 지구로 보낸 후 실험실에서 천을 대량의 물로 헹구고, 여과하여 미생물을 소량의 액체로 농축해 검사했습니다. SBIR 기술은 바이러스와 박테리아를 농축하여 결과를 얻기 위한 시간과 비용을 줄이기 위한 것이었습니다.

중공사 필터와 생산 자동화로 성능 향상

InnovaPrep은 SBIR 작업에 기존 피펫 구조를 사용했지만, NASA의 까다로운 여과 요구사항으로 인해 새로운 재료를 찾게 되었습니다. 테스트 결과 72개의 작은 빨대처럼 보이는 중공사(Hollow-fiber) 재료가 최적임이 밝혀졌고, 이는 피펫 내 필터의 일부를 구성합니다. 더 나은 필터는 샘플당 더 많은 바이러스와 박테리아 세포를 포착합니다.

회사는 필터를 고정하는 접착제 도포를 자동화했습니다. 이는 장치의 성능과 신뢰성을 개선하는 동시에 생산 개선을 위한 첫걸음이 되었습니다.

퍼시비어런스 로버 살균과 행성 보호

퍼시비어런스 로버 하드웨어를 닦아내는 것은 지구 미생물이 화성으로 가는 것을 제한하는 NASA의 행성 보호 전략의 한 단계입니다. 지구상에서 가장 깨끗한 곳 중 하나인 JPL 클린룸은 비행 전 표면에 남은 미생물을 확인하기 위해 InnovaPrep 기술을 사용하는 절차를 개발했습니다. (이미지: NASA)

NASA 요구사항은 또한 필터에서 갇힌 미생물을 제거하는 발포 액체의 품질 향상을 InnovaPrep에 촉구했습니다.

습식 폼 용출 과정

분석을 위한 샘플 농축 단계에서 필터가 포함된 피펫이 물 샘플에 부유된 분자와 미생물을 포착합니다. 다음 단계인 습식 폼 용출(Wet foam elution)은 발포 액체를 피펫으로 밀어 넣어 필터 내면을 가로질러 액체 샘플에서 유기체나 오염물질을 회수합니다. 이는 그들을 바이알로 밀어내어 검사 준비가 되게 합니다.

NASA의 적용은 무중력에서 작동하도록 공정 수정을 요구했고, 용출 액체의 보관 수명도 1년 이상으로 늘렸습니다. 액체 캔리스터는 무중력에서 액체를 분배하도록 수정되었습니다. 여러 작업을 거쳐 InnovaPrep은 NASA의 모든 요구사항을 충족했습니다.

지구에서의 상용화 성공

무중력용으로 개발된 생물 농축 시스템은 아직 우주정거장에서 사용되지 않았지만, 지구상의 기업들은 기술 업그레이드로 시간과 비용을 절약하고 있습니다. InnovaPrep이 제공하는 물과 공기 모니터링 장비의 한 가지 장점은 사용이 간편하다는 것입니다. 실험실에서 배양을 키우는 것과 달리 특별한 훈련이 필요하지 않습니다.

다양한 분야에서의 활용

팬데믹 추적뿐만 아니라 병원체 농축과 검사가 필요한 분야는 많습니다. 레크리에이션 시설은 수영장 수질 모니터링에 InnovaPrep 기술을 사용합니다. 병원은 실내 공간을 가능한 한 무균 상태로 유지하기 위해 스크리닝에 사용합니다. 냉각탑 물과 상수도 시스템은 정기적으로 레지오넬라균을 검사합니다. 농부는 관개용 물을 병원체 검사하고, 식품 제조업체는 농산물과 장비 헹굼수를 모니터링해 식중독을 예방합니다. 현재 기업들이 사용하는 InnovaPrep FluidPrep 농축기는 매우 효율적이어서 JPL이 상용 장치를 이용한 일련의 클린룸 프로토콜을 개발했습니다.

우주 하드웨어 살균과 생체분자 프리 제품

NASA가 하드웨어를 다른 행성 천체로 보낼 때, 기술자들은 가능한 한 깨끗한 상태인지 확인하려 합니다. 의도는 지구의 미세한 히치하이커를 제거하여 오염 기회를 제한하는 것입니다. 클린룸 직원들은 3피트 정사각형 무균 천으로 큰 표면을 닦아내며 가능한 한 많은 생물질을 제거합니다.

"표면적을 늘려 수집하면 당연히 사용하는 액체도 늘어나고, 번거로운 여과를 해야 합니다."라고 벤카테스와란은 말했습니다. "모든 물질은 DNA-free여야 하므로, InnovaPrep에 기존보다 더 무균적인 제품을 개발해달라고 요청했습니다. 그들은 자사 제품이 생체분자가 없도록 보장하는 기술을 개발했습니다."

클린룸 절차의 효능을 검증한 발표된 연구는 무균 환경이 필요한 새로운 고객들을 InnovaPrep에 추가하는 데 도움이 되었습니다. 하지만 InnovaPrep의 최대 고객 기반은 여전히 폐수 감시입니다.

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