Выбор языка |
Главная О КНТС Новости Программы Направления исследований Эксперименты Результаты Информационные ресурсы Приём заявок
Шифр эксперимента: Биоэмульсия
Направление НПИ: 4. Космическая биология и биотехнология
Секция КНТС: 1. Космическая биология и физиология
Наименование эксперимента: Исследование и отработка автономного реактора закрытого типа для получения биомассы микроорганизмов и биологически активных веществ без внесения дополнительных ингредиентов и удаления продуктов метаболизма, разработка на его основе новых малостадийных и высокопроизводительных технологий получения лекарственных препаратов
Цель эксперимента:

Создание автономного биореактора закрытого типа и исследования на его основе малостадийной технологии эмульсионного культивирования микроорганизмов.

Изучение влияния факторов космического полета (ФКП) на пробиотический потенциал различных форм бактериальных препаратов.

Описание эксперимента:

Длительное нахождение человека в условиях космического полета провоцирует возникновение хронических рецидивирующих инфекций, аллергических заболеваний, функциональных кишечных расстройств. Одной из причин подобных состояний является изменение количественного и качественного состава резидентной микрофлоры организма человека. Так в кишечнике космонавтов после возвращения с орбиты отмечено резкое уменьшение (вплоть до полного исчезновения) необходимых для поддержания здоровья человека бифидобактерий и лактобацилл на фоне значительного увеличения количества условно-патогенной микрофлоры. Для профилактики и лечения такого рода заболеваний у космонавтов предпринимаются попытки использовать бактериальные препараты (пробиотики) предназначенные для коррекции микробиоценозов. Действующим началом пробиотиков являются жизнеспособные клетки полезных микроорганизмов в физиологически активном состоянии (жидком) или анабиотическом (сублимированном) виде. Однако имеющиеся экспериментальные данные позволяют предположить, что в условиях длительных космических полетов бактериальные пробиотики, полученные в наземных условиях, могут оказаться неэффективными. Для коррекции микроэкологических нарушений у космонавтов предлагается использовать пробиотики, полученные непосредственно на борту корабля.

В КЭ изучается возможность получения непосредственно на борту МКС силами экипажа кисломолочной формы запатентованного пробиотика «Витафлор», выпускаемого ФГУП «Гос.НИИ ОЧБ» ФМБА России (Санкт-Петербург), содержащего физиологически активные клетки лактобацилл, и исследуется степень влияния факторов космического полета (ФКП) на ее пробиотические свойства.

В эксперименте решаются следующие основные задачи:

• разработка автономного реактора закрытого типа для выращивания микроорганизмов без внесения кислорода и дополнительных питательных веществ и без удаления продуктов метаболизма;

• разработка рецептур эмульсионных питательных сред для использования в автономных биореакторах закрытого типа;

• проведение наземных экспериментов по отработке режимов культивирования в автономных биореакторах закрытого типа;

• исследования влияния факторов космического полета на процесс культивирования;

• разработка универсального закрытого многокамерного биореактора для доставки на орбиту и проведения экспериментов с биотехнологическими субстратами и реактивами в различном агрегатном состоянии.

Проведение космического эксперимента начато экипажем 14-ой экспедиции в сентябре 2006 года в ходе полета корабля «Союз-ТМА» к МКС. К настоящему времени проведено 12 сеансов КЭ (МКС-14 (1 сеанс), МКС-15 (2 сеанс), МКС-16 (1), МКС-17 (2), МКС-18 (2), МКС-19 (1), МКС-24 (1) и МКС-27 (1), МКС-29 (1)).

В 9 краткосрочных (10-12 дней) и 3 длительных (до 1 года) космических экспериментах исследовали влияние ФКП на 39 вариантов жидких и сублимированных форм бактериальных пробиотиков. В результате выполнения КЭ разработан и испытан в летных условиях автономный биореактор закрытого типа для получения биомассы микроорганизмов и биологически активных веществ (БАВ) без внесения дополнительных ингредиентов и удаления продуктов метаболизма. В ходе экспериментальных исследований менялось соотношение между воздушной подушкой и реакционной смесью в биореакторе, изменялся состав питательных сред, отрабатывались режимы работы мешалки, температурные режимы хранения полученных образцов и технология проведения сеанса с участием экипажа. В эксперименте отрабатывалась технология внесения космонавтом инокулята в виде водной суспензии предварительно приготовленной на Земле в питательную среду непосредственно на борту МКС с последующим культивированием.

В ходе исследований показано влияние космических факторов на продуктивность микроорганизмов, получены культуры, обладающие на порядок более высокой продуктивностью в сравнении с наземными аналогами. Задача разработки и испытаний в летных условиях автономного биореактора закрытого типа для получения биомассы микроорганизмов и биологически активных веществ (БАВ) без внесения дополнительных ингредиентов и удаления продуктов метаболизма в КЭ решена. Однако вопрос о создании на основе результатов космического эксперимента «Биоэмульсия» малостадийной технологии эмульсионного культивирования микроорганизмов остался открытым. Для окончательного заключения необходимо отработать на борту МКС стадию регидратации лактобацилл и получения водной суспензии инокулята из сублимированного пробиотика «Симбиотический комплекс ацидофильных бактерий «Витафлор»®».

Дальнейшие экспериментальные работы будут направлены на изучение возможности расширения спектра выполняемых на борту МКС операций, таких как зарядка биореактора питательной средой и посевным материалом, и отработку технологии выгрузки из биореактора конечного продукта с целью его использования в качестве лечебно профилактического препарата членами экипажа, находящегося в процессе длительной космической экспедиции. Использованная до сих пор в КЭ конструкция биореактора не позволяет проведение операций, связанных со стерилизацией биореактора, загрузкой его питательной средой и выгрузкой полученного после культивирования конечного продукта. В связи с этим, на повестку дня был поставлен вопрос о разработке принципиально новой технологии получения на борту космического корабля пробиотического кисло-молочного продукта, обладающего иммунно модулирующими свойствами. Причем, технология должна быть максимально простой и удобной при осуществлении ее в условиях микрогравитации и включать в себя минимум операций. В настоящее время рассматривается возможность отработки альтернативной технологии получения в условиях микрогравитации биологически активного пробиотического препарата, исключающей необходимость выполнения на борту вышеназванных операций, что существенно упростит весь процесс получения и использования лечебно профилактического препарата при осуществлении длительной космической экспедиции.

В 2012 году планируется провести два сеанса эксперимента с использованием эксплуатирующейся на РС МКС аппаратуры «Рекомб-К». Новый этап работ предполагает экспериментальное подтверждение целесообразности перехода в экспериментах с культивированием микроорганизмов от однокамерного к трехкамерному универсальному биореактору с разделением посевного материала, питательной среды и дополнительных ингредиентов.
Новизна эксперимента:

До настоящего времени вопрос о степени влияния ФКП на пробиотический потенциал живых бактерий, полученных на борту космического корабля, в литературе не рассматривался. Вместе с тем специалистами ГНЦ РФ «Институт медико-биологических проблем» РАН (ИМБП РАН) было показано, что условно-патогенные бактерии в условиях космического полета могут менять свою вирулентность в сторону усиления и повышать устойчивость к антибиотикам. Это позволило им вынести заключение о том, что в процессе космического полета отмечается нарастание потенциала патогенности, входящих в состав микрофлоры человека условно-патогенных микроорганизмов1. В связи с этим предполагается, что факторы космического полета в той или иной мере также могут повлиять и на пробиотические свойства полученной на борту МКС живой культуры лактобацилл.

Существующие в настоящее время технологии получения биомассы микроорганизмов и биологически активных веществ (БАВ) являются многостадийными, энергоемкими и включают стадии культивирования, концентрирования и получения конечной формы препарата микроорганизмов или выделения БАВ. В связи с этим, разработка малостадийных технологий получения биомассы микроорганизмов и БАВ является актуальной проблемой современной биотехнологии. Новизна предложенного исследования заключается в изучении и разработке принципиально новой технологии получения биомассы микроорганизмов и БАВ в автономном реакторе закрытого типа без внесения дополнительных ингредиентов и принудительного удаления продуктов метаболизма. Используемая в процессе КЭ эмульсионная питательная среда на основе модифицированных углеводородов обеспечивает 200-кратный запас кислорода по сравнению со стандартной питательной средой и обеспечивает сорбцию образующегося в процессе ферментации СО2 и ауторегуляторных факторов метаболизма, препятствующих росту культуры. В отличие от прототипа (патент РФ №2017816) в качестве питательной среды в исследовании вместо жидких парафинов используются модифицированные углеводороды, растворяющие в себе в 200 раз больше кислорода, чем в стандартной питательной среде и автономный реактор закрытого типа вместо стандартного ферментера. Подобные системы в исследованиях зарубежных авторов не описаны.

Научная аппаратура:

Аппаратура «Биоэмульсия» состоит из термостатируемого корпуса с блоком управления привода и сменного герметичного биореактора. Разработчик аппаратуры ОАО НПП «БиоТехСис». Термостатируемый корпус реактора постоянно находится на борту МКС. На Землю поставляется только непосредственно герметичный биореактор, для его последующего заполнения питательной средой и посевным материалом. Для доставки сменных реакторов и шприцев с посевными культурами на борт МКС (Т=4…8°С) и возвращения реакторов и отобранных проб биоматериалов используется термоизолирующий возвращаемый контейнер «Биоконт-Т».

Для термостатирования реакторов на борту МКС перед загрузкой реактора в корпус термостата и после выгрузки в диапазоне температур +4 ? +37°С используется бортовой холодильник-термостат «Криогем-03М». Операции с аппаратурой «Биоэмульсия» на борту выполняются в стерильных условиях, обеспечиваемых аппаратурой «Главбокс-С».

Время работы биореактора в активном режиме в сеансе от 2-х до 72-х часов. Полная продолжительность сеанса не превышает 76,5 часов. Эксперимент «Биоэмульсия» проводится в период смены экипажей МКС. Аппаратура доставляется на борт РС МКС на корабле типа «Союз» и возвращается на этом корабле на Землю с экипажем предыдущей экспедиции. Время работы экипажа с научной аппаратурой в сеансе эксперимента составляет 260 мин. Аппаратура работает автономно под управлением оператора, не требует подключения информационных каналов и требует только подключения к системе электропитания модуля станции.

С 2012 г. для проведения сеансов эксперимента планируется использовать гибритизатор «Рекомб-К», термоизолирующий контейнер «Биоконт-Т», аппаратуру «Анабиоз», универсальный биотехнологический термостат типа «ТБУ», транспортный термостат для наземной транспортировки.

Аппаратура «Рекомб-К» предназначена для получения рекомбинантных штаммов-продуцентов актуальных для медицины белков, при использовании техники бактериальной конъюгации и протопластирования в условиях космического полета. Конструктивно гибридизатор представляет собой герметичный блок, состоящий из трех емкостей, соединенных между собой гидромагистралями и клапанами.

Ожидаемые результаты:

При выполнении КЭ будут получены следующее научно-технические результаты:

1) Рецептура эмульсионной питательной среды для получения биомассы микроорганизмов и БАВ в автономных реакторах закрытого типа.

2) Макетный образец автономного реактора закрытого типа.

3) Характеристики процесса культивирования, массопереноса питательных веществ и метаболитов, основных биологических и физико-химических свойств клеток, выращенных в эмульсионной питательной среде в реакторе закрытого типа в условиях микрогравитации и на Земле.

4) Будет разработана принципиально новая малостадийная технология получения биомассы микроорганизмов и биологически активных веществ с использованием эмульсионных питательных сред на основе модифицированных углеводородов и автономных реакторов закрытого типа.

Полученные результаты:

Объектами исследования являлись моноштаммы пробиотических лактобацилл L.acidophilus (Д-75 и Д-76) и симбиотическая культура на их основе «Витафлор»®. Тест-культурами служили музейные и клинические штаммы K.pneumoniae и S.aureus. После возвращения образцов на Землю определялись пробиотически значимые характеристики L. acidophilus (выживаемость, биохимическая и антагонистическая активность, устойчивость к контрантагонизму тест-культур, антибиотикам, хранению в оптимальных и не оптимальных условиях, технологическим стрессам).

Для всех исследованных вариантов показано преимущество симбиотической культуры L.acidophilus «Витафлор»® по сравнению с моноштаммами.

Жидкие пробиотики, полученные в наземных условиях, проявляли высокую чувствительность к ФКП – за период пересменки экипажей (10-12 дней) образцы инактивировались на 3-8 lg и утрачивали основные пробиотические свойства.

Введение радиопротекторов и антиоксидантов не восстанавливало их пробиотический потенциал. Все сублимированные формы были устойчивы к ФКП при кратковременных полетах. При длительных полетах (до 1 года) максимальную устойчивость проявляли образцы, полученные методом «сублимационного формования». Вместе с тем неизвестно влияние ФКП на регидратацию сублимированных образцов непосредственно в условиях космического полета. Предполагается, что при этом также может произойти значительное снижение пробиотического потенциала образцов. В серии из 5 экспериментов показана принципиальная возможность получения жидких пробиотиков в условиях космического полета. В биореакторе закрытого типа отработан способ получения кисломолочной формы «Симбиотического комплекса ацидофильных бактерий «Витафлор»® на основе сублимированного инокулята. Лактобациллы в составе продукта характеризуются высокой устойчивостью к тетрациклину, ампициллину и гентамицину – препаратам выбора для лечения инфекционных заболеваний различной бактериальной природы; проявляют антагонизм к клиническим изолятам S. aureus и К. pneumomoniae; устойчивы к контрантагонизму S. aureus и К. pneumomoniae.

Полученная культура отличалась высоким пробиотическим потенциалом и длительным сроком хранения (не менее 45 суток).

Сроки проведения: 2006-2017 гг.
Состояние эксперимента: Завершен
Организация постановщик: ОАО «Биопрепарат»
Организации участники: ФГУП «Государственный научно-исследовательский институт особо чистых биопрепаратов» федерального медико-биологического агентства России (ФГУП « Гос. НИИ ОЧБ» ФМБА России)
Научный руководитель: Щербаков Г.Я., ОАО «Биохиммаш», профессор, д.м.н.
Публикации по эксперименту:

1. Кобатов А.И., Вербицкая Н.Б., Добролеж О.В., Петров Л.Н. Оптимизация процесса культивирования пробиотических бактерий Lactobacillus acidophilus, в условиях космического полета// Медицина экстремальных ситуаций 2011г № 4 (34), с.77-86.

2. Вербицкая Н.Б., Добролеж О.В., Кобатов А.И., Петров Л.Н. Особенности получения и использования бактериальных пробиотиков на борту МКС в условиях длительных космических экспедиций/ Космонавтика и ракетостроение, 2011, № 3 (64) с. 130-135.

3. Петров Л.Н. Микробиологические и биотехнологические основы создания и эффективного применения новых бактериальных пробиотических препаратов – Автореферат на соискание ученой степени доктора биологических наук, Санкт-Петербург, 2011г.

4. Кобатов А.И., Вербицкая Н.Б., Добролеж О.В., Рыбальченко О.В., Петров Л.Н. Изучение пробиотических характеристик Lactobacillus acidophilus, выращенных в условиях космического полета // Медицина экстремальных ситуаций, 2008, № 4 ( 26 ), с. 66 – 78.

5. Подготовка кандидатской диссертации и статьи на тему: «Выявление особенностей метаболизма и морфологии разных фенотипов одного штамма бифидобактерий, вызванных условиями микрогравитации, для получения пробиотиков с улучшенными биомедицинскими показателями и повышения эффективности производства.

6. Патент РФ № 2425576 от 10.08.2011 г Инновационная технология получения пробиотического продукта на борту МКС.

Последнее обновление: 17.11.2017

Информационная справка

Программы

Изображения