우주정거장에서의 첨단 세균 테스트로 폐수 모니터링 강화

우주정거장을 닦는 데 사용된 천이 지구에 도착한 후, 미생물을 제거하기 위해 여기 보이는 주황색 뚜껑이 달린 물병에서 천을 헹구었습니다. 그런 다음 해당 액체를 InnovaPrep의 CP Select 시스템 테스트를 위해 이 바이알(삽입)에 농축했습니다. (이미지 :NASA)

지역사회를 통한 COVID-19 확산 추적은 공중 보건 공무원과 개인이 팬데믹 기간 동안 정보에 입각한 결정을 내리는 데 필요한 필수 데이터를 제공했습니다. 유용하다고 입증된 한 가지 방법은 도시 폐수를 수집, 농축 및 테스트하여 질병을 유발한 바이러스가 있는지 테스트하는 것이었습니다. 이 테스트가 확대됨에 따라 NASA가 우주선 내부의 병원균을 식별하기 위해 개발한 기술은 시간을 절약하고 지구에서 신뢰할 수 있는 결과를 만들어 냈습니다.

NASA 우주 비행사 Megan McArthur는 폐쇄된 거주지와 관련된 미생물을 연구하고 승무원의 건강에 위협이 될 수 있는 미생물을 예측하기 위해 우주 정거장 내부 표면에서 미생물 샘플을 수집합니다. (이미지 :NASA)

몇 년 전에 체결된 여러 SBIR(Small Business Innovation Research) 계약은 미주리주 드렉셀의 InnovaPrep LLC가 기존 생물 농축 프로세스를 개선하고 이를 공기, 물 및 국제 우주 정거장 표면의 바이러스, 박테리아 및 기타 병원체에 대한 자동화된 테스트에 적용하는 데 도움이 되었습니다. 새로운 필터 재료를 사용하고 공정을 개선하고 공간에 맞게 수정하는 것 외에도 회사는 생산 공정을 반자동화하기 위한 새로운 제조 단계를 개발했습니다. SBIR 작업 이전에는 회사에서 피펫이라고 불리는 일회용 필터를 수작업으로 제작하여 일주일에 약 200개를 생산했습니다. 이제 생산량은 증가하는 수요에 맞춰 쉽게 확장할 수 있는 시스템을 통해 주당 12,000개입니다.

개선된 생산은 적시에 이루어졌습니다. InnovaPrep은 코로나19 모니터링 노력이 시행됨에 따라 공중 보건 부서, 상업 실험실 및 연구원의 주문을 쉽게 처리할 수 있었습니다. InnovaPrep의 CTO인 Andy Page는 NASA가 AirPrep 및 FluidPrep 제품 라인을 발전시킬 수 있는 능력을 갖고 있다고 칭찬합니다.

"우리는 많은 좋은 통찰력을 제공한 NASA 과학자들과 좋은 상호 작용을 많이 했습니다. 그 협력은 매우 가치가 있습니다."라고 그는 말했습니다. "SBIR 프로그램을 사용하면 자금 지원 없이는 쉽게 발견할 수 없는 것들을 발견할 수 있습니다."

일부 박테리아와 바이러스를 포함한 병원체는 무중력 상태에서 더욱 해로울 수 있으므로 우주비행사가 우주선을 안전하게 보호하려면 경계가 필요합니다. 그러나 샘플 수집 및 테스트는 시간이 많이 걸리는 작업입니다. 남부 캘리포니아에 있는 NASA의 제트 추진 연구소(JPL)는 JPL의 수석 연구원인 Kasthuri "Venkat" Venkateswaran과 함께 InnovaPrep과 협력하여 우주용 샘플 농축 기술을 수정하면서 자동화를 통해 더욱 효율적으로 만들기 위한 노력을 주도했습니다.

테스트를 위해 갤런의 물에서 몇 온스까지 미생물을 집중시키는 것은 시간이 많이 걸리는 작업일 수 있습니다. 그러나 NASA의 전문 지식을 활용한 CP Select라는 특수 InnovaPrep 여과 시스템은 지구에서 이러한 작업을 신속하게 수행할 수 있습니다. (이미지 :InnovaPrep LLC)

더 빠른 결과를 얻을 수 있는 한 가지 옵션은 중합효소 연쇄반응(PCR) 테스트입니다. PCR은 많은 복사본을 만들어 유전 물질(DNA 또는 RNA)의 작은 부분을 빠르게 증폭시킵니다. 이렇게 하면 유전자 검사를 위한 더 큰 샘플이 생성되어 존재하는 박테리아나 바이러스의 유형을 더 쉽게 식별할 수 있습니다. 지구에서 자주 사용되는 과정인 살아있는 배양물을 배양하는 것보다 우주에서 바이러스나 박테리아의 특정 분자 조각을 표적으로 삼는 것이 바람직합니다.

Venkateswaran은 "우주에서 미생물을 재배한다면 이는 단 하나의 세포라도 수십억 개의 세포가 된다는 것을 의미합니다. 하나의 세포는 인간의 건강에 아무런 해를 끼치지 않지만 폐쇄계에서 그 하나의 세포를 키우는 것은 위험합니다"라고 Venkateswaran은 말했습니다. 작은 미생물은 찾기 어렵기 때문에 NASA는 우주정거장에 무엇이 살고 있는지 알아내기 위해 몇 가지 조사를 했습니다.

한 연구에서는 우주비행사가 표면을 지구로 보내기 전에 멸균 천으로 표면을 닦아야 한다고 요구했습니다. 실험실에 도착하면 천을 다량의 물로 헹구고 생성된 액체를 여과한 후 미생물을 소량의 액체로 농축하여 테스트했습니다. SBIR 기술은 바이러스와 박테리아를 농축하여 결과를 얻는 데 필요한 시간과 비용을 줄이기 위한 것입니다.

InnovaPrep은 SBIR 작업에 이전 피펫 구조를 사용했지만 NASA의 까다로운 여과 요구 사항으로 인해 회사는 새로운 재료를 찾게 되었습니다. 테스트 결과 가장 좋은 옵션은 피펫 내부 필터의 일부를 구성하는 72개의 작은 빨대처럼 보이는 중공 섬유 소재인 것으로 나타났습니다. 필터가 더 좋다는 것은 샘플당 더 많은 바이러스 및 박테리아 세포가 포착된다는 것을 의미합니다.

그런 다음 회사는 필터를 제자리에 고정하는 접착제 도포를 자동화했습니다. 이는 장치의 성능과 신뢰성을 향상시키는 동시에 생산 향상을 위한 첫 번째 단계가 되었습니다.

Perseverance 탐사선의 하드웨어를 닦아내는 것은 화성으로 이동하는 지구 미생물의 수를 제한하기 위한 NASA의 행성 보호 전략의 한 단계입니다. 지구상에서 가장 깨끗한 장소 중 하나인 제트 추진 연구소(Jet Propulsion Laboratory) 클린룸은 InnovaPrep 기술을 사용하여 비행 전 표면에 남아 있는 미생물을 확인하는 절차를 개발했습니다. (이미지 :NASA)

NASA의 요구 사항에 따라 InnovaPrep은 필터에 갇힌 미생물을 제거하는 거품 액체의 품질을 향상시켰습니다.

PCR 테스트를 포함한 분석 준비를 위해 샘플을 농축하기 위해 필터가 포함된 피펫을 사용하여 물 샘플에 부유하는 분자와 미생물을 포착합니다. 습식 거품 용리라고 불리는 다음 단계에서는 거품이 나는 액체를 필터 내부 표면을 가로질러 피펫으로 밀어 넣어 액체 샘플에서 유기체나 오염 물질을 회수합니다. 이렇게 하면 테스트 준비가 완료된 유리병에 담겨집니다.

NASA의 적용에는 용출 유체의 보관 수명 연장과 함께 우주에서 기능하기 위한 공정 수정이 필요했습니다. 액체 용기는 미세 중력에서 액체를 분배하고 사용하기 전에 1년 이상 방치되도록 수정되었습니다. 몇 가지 작업을 통해 InnovaPrep은 NASA의 요구 사항을 모두 충족했습니다.

무중력을 위해 만들어진 생물 농축 시스템은 아직 우주정거장에서 사용되지 않았지만, 지구상의 기업들은 기술 업그레이드를 통해 시간과 비용을 절약하고 있습니다. InnovaPrep이 제공하는 물 및 공기 모니터링 장비의 장점 중 하나는 사용이 간편하다는 것입니다. 실험실에서 배양하는 것과 달리 특별한 교육이 필요하지 않습니다.

병원체의 농도와 테스트가 필요한 전염병을 추적하는 것이 아닙니다. 레크리에이션 시설에서는 InnovaPrep 기술을 사용하여 수영장 수질을 모니터링합니다. 병원에서는 이를 사용하여 실내 공간을 검사하여 가능한 한 멸균 상태를 유지합니다. 냉각탑 및 도시 용수 시스템의 물은 정기적으로 레지오넬라균 검사를 받습니다. 심각한 형태의 폐렴을 일으킬 수 있는 박테리아입니다.

농부들은 관개수에 병원균이 있는지 테스트하고, 식품 제조업체는 식품 매개 질병을 제거하기 위해 농산물과 장비 세척을 모니터링합니다. 현재 기업에서 사용하는 InnovaPrep FluidPrep 농축기는 매우 효율적이어서 JPL은 상용 장치를 사용하여 일련의 클린룸 프로토콜을 개발했습니다.

NASA가 하드웨어를 다른 행성에 보낼 때 기술자들은 하드웨어가 최대한 깨끗한지 확인하려고 노력합니다. 그 의도는 오염 가능성을 제한하기 위해 미세한 히치하이커를 지구에서 제거하는 것입니다. 청정실 직원은 3피트 크기의 멸균 천을 사용하여 넓은 표면을 닦아 최대한 많은 생체 물질을 제거합니다.

Venkateswaran은 "수집할 표면적을 늘리면 사용하는 액체도 늘어나게 됩니다. 그리고 번거로운 필터링을 수행해야 합니다"라고 말했습니다. "모든 재료에는 DNA가 없어야 하기 때문에 우리는 InnovaPrep에게 기존 제품보다 더 멸균된 제품을 만들어 달라고 요청했습니다. 그들은 제품에 생체분자가 없는지 확인하는 기술을 개발했습니다."

클린룸 절차의 효율성을 검증한 발표된 연구는 InnovaPrep이 멸균 환경을 필요로 하는 신규 고객을 추가하는 데 도움이 되었습니다. 하지만 InnovaPrep의 가장 큰 고객 기반은 여전히 폐수 감시입니다.

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