Les tests de germes avancés sur la Station spatiale améliorent la surveillance des eaux usées

Après que les chiffons utilisés pour essuyer la station spatiale soient arrivés sur Terre, ils ont été rincés dans le pot d'eau que l'on voit ici avec un couvercle orange pour éliminer les microbes. Ce liquide a ensuite été concentré dans ce flacon (encart) pour être testé par le système CP Select d'InnovaPrep. (Image :NASA)

Le suivi de la propagation du COVID-19 dans les communautés a fourni des données essentielles permettant aux responsables de la santé publique et aux individus de prendre des décisions éclairées pendant la pandémie. Une méthode qui s’est avérée utile consistait à collecter, concentrer et tester les eaux usées municipales pour détecter la présence du virus à l’origine de la maladie. À mesure que ces tests s'intensifiaient, une technologie développée pour la NASA pour identifier les agents pathogènes à l'intérieur des vaisseaux spatiaux a permis de gagner du temps et de produire des résultats fiables sur Terre.

L'astronaute de la NASA Megan McArthur collecte des échantillons microbiens sur les surfaces à l'intérieur de la station spatiale pour étudier les microbes associés aux habitations fermées et prédire ceux qui pourraient constituer une menace pour la santé de l'équipage. (Image :NASA)

Plusieurs contrats SBIR (Small Business Innovation Research) attribués quelques années plus tôt ont aidé InnovaPrep LLC de Drexel, MO, à améliorer son processus de bioconcentration existant et à l'appliquer aux tests automatisés de virus, bactéries et autres agents pathogènes dans l'air, l'eau et sur les surfaces de la Station spatiale internationale. En plus d'utiliser un nouveau matériau filtrant, d'améliorer le processus et de le modifier pour l'espace, l'entreprise a développé de nouvelles étapes de fabrication pour semi-automatiser les processus de production. Avant les travaux du SBIR, l'entreprise fabriquait à la main un filtre jetable, appelé pipette, et en produisait environ 200 par semaine. La production est désormais de 12 000 par semaine avec un système qui peut facilement évoluer pour répondre à la demande croissante.

L’amélioration de la production est arrivée juste à temps. InnovaPrep pourrait facilement répondre aux commandes des services de santé publique, des laboratoires commerciaux et des chercheurs à mesure que les efforts de surveillance du COVID-19 étaient mis en place. Andy Page, CTO d'InnovaPrep, attribue à la NASA la capacité de l'entreprise à faire progresser ses gammes de produits AirPrep et FluidPrep.

"Nous avons eu de nombreuses bonnes interactions avec les scientifiques de la NASA qui nous ont fourni de nombreuses informations utiles. Cette collaboration est extrêmement précieuse", a-t-il déclaré. "Le programme SBIR vous permet de découvrir des choses que vous ne pourriez pas découvrir facilement sans ce financement."

Les agents pathogènes, y compris certaines bactéries et virus, peuvent devenir plus nocifs en apesanteur, il faut donc être vigilant pour assurer la sécurité d'un vaisseau spatial pour les astronautes. Mais la collecte et les tests d’échantillons sont des tâches qui prennent beaucoup de temps. Le Jet Propulsion Laboratory de la NASA, en Californie du Sud, a dirigé les efforts visant à le rendre plus efficace grâce à l'automatisation, avec Kasthuri « Venkat » Venkateswaran, chercheur scientifique principal au JPL, travaillant avec InnovaPrep pour modifier sa technologie de concentration d'échantillons pour l'espace.

Concentrer les microbes dans des gallons d’eau jusqu’à quelques onces pour les tester pourrait prendre beaucoup de temps. Mais le système de filtration spécialisé InnovaPrep appelé CP Select, qui a bénéficié de l'expertise de la NASA, peut rapidement faire exactement cela sur Terre. (Image : InnovaPrep LLC)

Une option pour obtenir des résultats plus rapides est un test de réaction en chaîne par polymérase (PCR). La PCR amplifie rapidement de petits segments de matériel génétique – ADN ou ARN – en réalisant de nombreuses copies. Cela crée un échantillon plus large pour les tests génétiques, ce qui facilite l’identification du type de bactérie ou de virus présent. Cibler des fragments moléculaires spécifiques de virus ou de bactéries est préférable dans l'espace plutôt que de cultiver une culture vivante, un processus fréquemment utilisé sur Terre.

"Si vous cultivez des microbes dans l'espace, cela signifie que même une cellule deviendra des milliards de cellules. Une cellule ne nuira pas à la santé humaine, mais la croissance de cette cellule dans un système fermé est dangereuse", a déclaré Venkateswaran. Les petits microbes sont difficiles à trouver, c'est pourquoi la NASA a mené des recherches pour découvrir ce qui vivait sur la station spatiale.

Une étude exigeait que les astronautes essuyent les surfaces avec des chiffons stériles avant de les envoyer sur Terre. Une fois arrivés au laboratoire, les chiffons ont été rincés dans une grande quantité d’eau, le liquide obtenu a été filtré et les microbes ont été concentrés dans une petite quantité de liquide à des fins de test. La technologie SBIR visait à concentrer les virus et les bactéries, réduisant ainsi le temps et les coûts nécessaires pour obtenir des résultats.

InnovaPrep a utilisé sa structure de pipette précédente pour les travaux SBIR, mais les exigences strictes de filtration de la NASA ont obligé l'entreprise à rechercher un nouveau matériau. Les tests ont montré que la meilleure option était un matériau à fibres creuses composé de ce qui ressemble à 72 minuscules pailles, qui constituent une partie du filtre à l’intérieur de la pipette. Un meilleur filtre signifie que davantage de cellules virales et bactériennes sont capturées par échantillon.

L’entreprise a ensuite automatisé l’application de la colle qui maintient les filtres en place. Cela a amélioré les performances et la fiabilité de l'appareil tout en constituant une première étape vers une production améliorée.

L’effacement du matériel du rover Perseverance est une étape de la stratégie de protection planétaire de la NASA visant à limiter le nombre de microbes terrestres se dirigeant vers Mars. La salle blanche du Jet Propulsion Laboratory, l’un des endroits les plus propres de la planète, a développé des procédures utilisant la technologie InnovaPrep pour vérifier la présence de microbes laissés à la surface avant le vol. (Image :NASA)

Les exigences de la NASA ont également incité InnovaPrep à améliorer la qualité d'un liquide moussant qui élimine les microbes piégés du filtre.

Pour concentrer un échantillon en vue d'une analyse, y compris un test PCR, une pipette contenant le filtre capture les molécules et les microbes en suspension dans un échantillon d'eau. L'étape suivante, appelée élution par mousse humide, pousse le liquide moussant dans la pipette, sur la surface interne du filtre pour récupérer les organismes ou les contaminants d'un échantillon liquide. Cela les pousse dans un flacon, prêts à être testés.

L’application de la NASA nécessitait des modifications du processus pour fonctionner dans l’espace, ainsi qu’une durée de conservation plus longue pour le fluide d’élution. Les bidons de liquide ont été modifiés pour distribuer le liquide en microgravité et rester en place pendant un an ou plus avant d'être utilisés. Avec quelques travaux, InnovaPrep a répondu à toutes les exigences de la NASA.

Le système de bioconcentration créé pour l’apesanteur n’a pas encore été utilisé sur la station spatiale, mais les entreprises sur Terre économisent du temps et de l’argent grâce aux mises à niveau technologiques. L’un des avantages de l’équipement de surveillance de l’eau et de l’air proposé par InnovaPrep est qu’il est simple à utiliser. Contrairement à la culture de cultures en laboratoire, aucune formation particulière n'est requise.

Il ne s’agit pas seulement de suivre une pandémie qui nécessite la concentration et le test des agents pathogènes. Les installations de loisirs utilisent la technologie InnovaPrep pour surveiller la qualité de l'eau des piscines. Les hôpitaux l’utilisent pour filtrer les espaces intérieurs afin de les maintenir aussi stériles que possible. L'eau des tours de refroidissement et des systèmes d'eau municipaux est régulièrement testée pour la présence de légionelles. bactérie, qui peut provoquer une forme grave de pneumonie.

Les agriculteurs testent l'eau d'irrigation pour détecter la présence d'agents pathogènes et les fabricants de produits alimentaires surveillent le rinçage des produits et des équipements pour éliminer les maladies d'origine alimentaire. Le concentrateur InnovaPrep FluidPrep désormais utilisé par les entreprises est si efficace que JPL a développé une série de protocoles de salle blanche utilisant l'appareil commercial.

Lorsque la NASA envoie du matériel à d’autres corps planétaires, les technologues tentent de s’assurer qu’il est aussi propre que possible. L’objectif est de retirer les auto-stoppeurs microscopiques de la Terre afin de limiter les risques de contamination. Le personnel des salles blanches utilise un morceau de tissu stérile d'un mètre carré pour essuyer de grandes surfaces, éliminant ainsi autant de biomatière que possible.

"Si vous augmentez la surface à collecter, vous augmentez évidemment la quantité de liquide que vous utilisez. Et vous devez procéder à un filtrage fastidieux", a déclaré Venkateswaran. "Tout le matériel doit être sans ADN, nous avons donc demandé à InnovaPrep de proposer un produit plus stérile que celui dont ils disposaient. Ils ont développé la technologie pour garantir que leurs produits sont exempts de biomolécules. "

La recherche publiée vérifiant l'efficacité des procédures en salle blanche a aidé InnovaPrep à attirer de nouveaux clients nécessitant un environnement stérile. Mais la plus grande clientèle d'InnovaPrep reste la surveillance des eaux usées.

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