工程师们找到了一种保护微生物免受极端条件影响的方法

用于健康、农业或其他应用的微生物需要能够承受极端条件，理想情况下，还需要能够承受用于生产长期储存片剂的生产过程。麻省理工学院的研究人员现在开发了一种新的方法，使微生物足够顽强，能够承受这些极端条件

他们的方法包括将细菌与食品和药物添加剂混合，这些添加剂来自美国食品药品监督管理局归类为“通常被认为是安全的”的一系列化合物。研究人员确定了有助于稳定几种不同类型微生物的配方，包括酵母和细菌，他们表明这些配方可以承受高温、辐射和工业加工，这些都会损害未受保护的微生物

在一项更极端的测试中，在休斯顿航天中心科学与研究经理Phyllis Friello的协调下，一些微生物最近从国际空间站返回，研究人员现在正在分析这些微生物在这些条件下的耐受能力

“这个项目的目的是在极端条件下稳定生物体。我们真的在考虑一系列广泛的应用，无论是太空任务、人类应用还是农业应用，”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、该研究的高级作者Giovanni Traverso说

Miguel Jimenez，前麻省理工学院研究科学家，现为波士顿大学生物医学工程助理教授，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，Traverso的实验室开始研究新的方法，使益生菌和微生物疗法等有益细菌更有弹性。作为一个起点，研究人员分析了13种市售益生菌，发现其中6种产品的活细菌含量没有标签上显示的那么多

Traverso说：“我们发现——也许并不奇怪——存在差异，而且可能很显著。”。“那么接下来的问题是，鉴于此，我们能做些什么来帮助这种情况？”

在他们的实验中，研究人员选择了四种不同的微生物作为重点：三种细菌和一种酵母。这些微生物是大肠杆菌Nissle 1917，一种益生菌；梅利洛蒂Ensifer meliloti，一种可以固定土壤中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；以及酵母布拉酵母，其也被用作益生菌

当微生物用于医疗或农业应用时，通常会通过一种称为冷冻干燥的过程将其干燥成粉末。然而，它们通常不能制成更有用的形式，如片剂或药丸，因为这个过程需要暴露在有机溶剂中，而有机溶剂可能对细菌有毒。麻省理工学院的团队开始寻找可以提高微生物在这种过程中生存能力的添加剂

Traverso说：“我们开发了一个工作流程，可以从美国食品药品监督管理局的‘普遍认为安全’材料清单中提取材料，并将其与细菌混合匹配，然后问，在冷冻干燥过程中，是否有增强细菌稳定性的成分？”

他们的设置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，看看哪种在室温下储存30天时存活得最好。这些实验揭示了不同的成分，主要是糖和肽，对每种微生物最有效

研究人员随后挑选了其中一种微生物，大肠杆菌Nissle 1917，进行进一步优化。这种益生菌已被用于治疗“旅行者腹泻”，这是一种由被有害细菌污染的饮用水引起的疾病。研究人员发现，如果他们将咖啡因或酵母提取物与一种名为蜜二糖的糖结合，就可以产生一种非常稳定的大肠杆菌Nissle 1917配方。

研究人员称之为配方D的这种混合物，在37摄氏度下微生物储存六个月后，存活率超过10%，而在这种条件下，一种市售的大肠杆菌尼斯乐1917配方仅11天就失去了所有活力

制剂D还能够承受更高水平的电离辐射，高达1000灰度。（地球上的典型辐射剂量约为每天15微克，太空中约为每天200微克。）

研究人员不知道他们的配方是如何保护细菌的，但他们假设添加剂可能有助于在补液过程中稳定细菌细胞膜

压力测试

研究人员随后表明，这些微生物不仅能在恶劣的条件下生存，而且在暴露后还能保持其功能。在梅利洛蒂Ensifer暴露在高达50摄氏度的温度下后，研究人员发现它们仍然能够在植物根部形成共生根瘤，并将氮转化为氨

他们还发现，当这些微生物在实验室培养皿中一起生长时，他们的大肠杆菌Nissle 1917配方能够抑制福氏志贺菌的生长，福氏志贺菌是中低收入国家腹泻相关死亡的主要原因之一

去年，这些极端微生物的几种菌株被送往国际空间站，希门尼斯将其描述为“终极压力测试”。

他说：“即使只是在地球上进行飞行前验证和储存，也是这项测试的一部分，一路上没有温度控制。”

这些样本最近返回地球，希门尼斯的实验室正在对它们进行分析。他计划将保存在国际空间站内部的样本与栓在空间站外部的其他样本以及留在地球上的对照样本进行比较

该论文的其他作者包括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和James Byrne More information: Synthetic extremophiles via species-specific formulations improve microbial therapeutics, Nature Materials (2024). DOI: 10.1038/s41563-024-01937-6

Journal information: Nature Materials