宇宙ステーションでの高度な微生物検査が廃水監視を強化

宇宙ステーションで表面を拭いた布が地球に帰還後、オレンジ色の蓋のついた水瓶で洗浄され微生物が除去されました。その液体はイノバプレップ社のCP Selectシステムで検査のためにこのバイアル（写真内）に濃縮されました。（画像：NASA）

COVID-19パンデミックでの廃水監視と宇宙技術の応用

コミュニティでのCOVID-19感染拡大の追跡は、公衆衛生当局と個人がパンデミック中に情報に基づいた意思決定を行うための重要なデータを提供しました。有用だった手法の一つが、市町村の廃水を収集・濃縮・検査し、病気の原因ウイルスの有無を調べることでした。この検査が拡大する中、NASA向けに開発された宇宙船内の病原体特定技術が、地球上で時間を節約し、信頼性の高い結果を生み出しました。

NASAのメガン・マッカーサー宇宙飛行士が、宇宙ステーション内部の表面から微生物サンプルを採取し、閉鎖環境に関連する微生物や乗員の健康を脅かす可能性のあるものを研究しています。（画像：NASA）

NASAのSBIR契約がイノバプレップの技術を前進

数年前に授与された複数のスモールビジネス革新研究（SBIR）契約により、ミズーリ州ドレクセルのイノバプレップ社は、既存の生物濃縮プロセスを改良し、国際宇宙ステーションの空気、水、表面におけるウイルス、細菌、その他の病原体の自動検査に応用しました。新しいフィルター材料の使用、プロセスの改良、宇宙用への改修に加え、同社は半自動化生産プロセスのための新しい製造手順を開発しました。SBIR事業前は、使い捨てフィルター「ピペット」を手作業で週200本製造していました。現在は週1万2000本を出荷し、需要増に容易に対応できるシステムを構築しています。

この生産改善はまさに適切な時期に実現しました。COVID-19監視体制が整う中、イノバプレップは公衆衛生局、商業研究所、研究者からの注文に容易に対応できました。同社CTOのアンディ・ペイジ氏は、NASAとの協業によりAirPrepとFluidPrep製品ラインを前進させられたと評価しています。

「NASAの科学者たちと多くの良い対話があり、多くの貴重な知見を得ました。その協力は超貴重です」と同氏。「SBIRプログラムでは、その資金なしでは容易には発見できないことを発見できます。」

宇宙での病原体監視の重要性

細菌やウイルスを含む病原体は、無重力下でより有害になる可能性があるため、宇宙船を宇宙飛行士にとって安全に保つには警戒が必要です。しかし、サンプル採取と検査は時間のかかる作業です。NASAジェット推進研究所（JPL）が自動化により効率化を主導し、JPL上級研究科学者のカシュトゥリ「ベンカット」ベンカテスワラン氏がイノバプレップと協力して、サンプル濃縮技術を宇宙用に改良しました。

ガロン単位の水中の微生物を検査用に数オンスまで濃縮するのは時間のかかる作業でした。しかし、NASAの専門知識の恩恵を受けたイノバプレップの専門濾過システム「CP Select」なら、地球上でそれを迅速に実行できます。（画像：イノバプレップ社）

PCR検査による迅速な結果

より速い結果を得る選択肢の一つがポリメラーゼ連鎖反応（PCR）検査です。PCRは、DNAやRNAなどの微小な遺伝物質断片を大量に複製し、増幅します。これにより遺伝子検査用のより大きなサンプルが得られ、存在する細菌やウイルスの種類を特定しやすくなります。宇宙では、地球でよく使われる生きた培養を増やすプロセスではなく、ウイルスや細菌の特定の分子断片を標的とすることが好まれます。

「宇宙で微生物を培養すると、たった1個の細胞が数十億個になります。1個の細胞は人体に害を与えませんが、閉鎖系でその1個を培養するのは危険です」とベンカテスワラン氏。微小な微生物を見つけるのは難しいため、NASAは宇宙ステーションに何が生息しているかを調べる研究を行いました。

宇宙ステーション表面の微生物調査

ある研究では、宇宙飛行士が無菌布で表面を拭き、それを地球に送りました。研究室では、布を大量の水で洗い、ろ過し、微生物を少量の液体に濃縮して検査しました。SBIR技術は、ウイルスと細菌を濃縮し、結果を得るために必要な時間とコストを削減することを目的としていました。

イノバプレップはSBIR事業で従来のピペット構造を使用しましたが、NASAの厳しい濾過要件により、新しい材料を探す必要がありました。テストの結果、最適なのはピペット内部のフィルターを構成する72本の微小ストローのように見える中空繊維材料でした。より優れたフィルターは、サンプルあたりより多くのウイルスおよび細菌細胞を捕捉します。

同社はフィルターを固定する接着剤の塗布を自動化しました。これによりデバイスの性能と信頼性が向上し、生産改善への第一歩となりました。

パーサビアランスローバーのハードウェアを拭き取ることは、火星への地球由来微生物を制限するNASAの惑星保護戦略の一歩です。地球上で最も清潔な場所の一つであるJPLクリーンルームでは、イノバプレップ技術を用いた手順で、飛行前の表面に残留する微生物をチェックしています。（画像：NASA）

NASA要件による更なる改良

NASAの要件により、イノバプレップはフィルターから捕捉微生物を除去する発泡液の品質向上も促されました。

分析のためのサンプル濃縮（PCR検査を含む）では、フィルターを含むピペットが水サンプル中に浮遊する分子と微生物を捕捉します。次のステップ「湿式泡溶出」では、発泡液をピペット内に押し込み、フィルター内面を通過させて液体サンプルから生物や汚染物質を回収します。これによりそれらがバイアルに押し出され、検査の準備が整います。

NASAの用途では、微重力下で機能するようプロセスを改修し、溶出液の保存期間を1年以上に延長する必要がありました。液体缶は微重力下で液体を分配できるよう改良され、1年以上放置しても使用可能になりました。幾つかの作業を経て、イノバプレップはNASAのすべての要件を満たしました。

地球上での幅広い応用

無重力用に作られた生物濃縮システムはまだ宇宙ステーションで使用されていませんが、技術アップグレードにより地球上の企業が時間とコストを節約しています。イノバプレップが提供する水質・空気監視装置の利点の一つは、使いやすいことです。実験室での培養とは異なり、特別な訓練は不要です。

パンデミック追跡だけでなく、病原体の濃縮と検査が必要なのは多岐にわたります。レクリエーション施設ではプールの水質監視に、病院では室内空間のスクリーニングに、冷却塔や上水道の水は定期的にレジオネラ菌（重篤な肺炎の原因）検査に、イノバプレップ技術が使われています。

農家は灌漑用水の病原体検査を行い、食品メーカーは野菜と機器洗浄水を監視して食中毒を防いでいます。現在企業で使用されているイノバプレップFluidPrep濃縮器は非常に効率的で、JPLが市販デバイスを用いた一連のクリーンルームプロトコルを開発したほどです。

惑星保護への応用

NASAがハードウェアを他の惑星に送る際、技術者たちはできるだけ清潔な状態にしようとします。目的は、地球からの微小なヒッチハイカーを除去し、汚染の機会を制限することです。クリーンルームスタッフは、1辺3フィートの無菌布で大きな表面を拭き取り、可能な限り生物物質を除去します。

「表面積を増やして採取すれば、当然使用液量も増え、面倒な濾過が必要になります」とベンカテスワラン氏。「すべての材料はDNAフリーでなければならないため、イノバプレップにこれまでより無菌な製品を開発してもらいました。彼らは製品が生体分子フリーであることを保証する技術を開発しました。」

クリーンルーム手順の有効性を検証した公表研究により、イノバプレップは無菌環境を必要とする新規顧客を獲得しました。しかし、同社の最大の顧客基盤は依然として廃水監視です。

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