Mikrofluidik im Weltraum zur Erkennung außerirdischer Lebenssignaturen und zur Überwachung der Gesundheit von Astronauten

Mar 07, 2024

Feature vom 15. Juni 2023

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von Thamarasee Jeewandara, Phys.org

In einem neuen Bericht, der jetzt in npj Microgravity veröffentlicht wurde, haben Zachary Estlack und ein Forschungsteam im Maschinenbau und in den Weltraumwissenschaften an der University of Utah und der University of California, Berkeley, einen mikrofluidischen organischen Analysator entwickelt, um Lebenssignaturen außerhalb der Erde zu erkennen und klinisch zu überwachen Gesundheit von Astronauten. Das Team führte umfangreiche Umwelttests in verschiedenen Gravitationsatmosphären durch, um die Funktionalität des Analysators und seinen technologischen Reifegrad zu bestätigen.

Die Planetenforscher simulierten Umgebungen mit Mond-, Mars-, Null- und Hypergravitationsbedingungen, die typischerweise während eines Parabelflugs anzutreffen sind, um die Funktionalität des mikrofluidischen Analysators zu bestätigen. Die Studienergebnisse ebnen den Weg für die Integration mikrofluidischer Instrumente in eine Reihe von Möglichkeiten für Weltraummissionen.

Mikrofluidik stellt eine wichtige technische Innovation für die biomedizinische In-vitro-Forschung dar. Das Konzept eignet sich auch in der Astrobiologie für Raumfahrtanalysen biologischer Signaturen, indem es Flüssigkeitsvolumina im Nano-/Mikromaßstab bei hochempfindlichen biochemischen Untersuchungen reguliert und gleichzeitig einen geringen physischen Fußabdruck beibehält. Dadurch eignen sich die Miniaturinstrumente besonders für die Analyse biologischer Abdrücke außerirdischen Lebens.

Planetenforscher haben bereits Eisproben von den Saturn- und Jupitermonden Enceladus und Europa gesammelt und mit mikrofluidischen Geräten eingehend untersucht. Solche Analyseinstrumente sind auch nützlich, um die Gesundheit der Flugbesatzung zu überwachen. Obwohl sich die mikrofluidischen Bioanalysesysteme noch in der Entwicklung befinden, wollen Bioingenieure ihre Gravitationsempfindlichkeit und Leistungseffizienz für eine rekonfigurierbare und kompakte In-situ-Weltraumforschung verbessern.

Estlack und Kollegen entwickelten ein mikrofluidisches organisches Analysesystem (MOA) mit einem integrierten programmierbaren Mikrowellenarray (PMA) neben Glasmikrokanälen und einem laserinduzierten Fluoreszenz-Detektionssystem (LIF). Bei der Entwicklung des organischen Analysators konzentrierten sie sich auf ein Instrumentensystem im Flugformat mit Technologiebereitschaftsniveau, um den Reifegrad des Geräts für die Kommerzialisierung im Hinblick auf die Raumfahrt zu beurteilen und die interessierenden Analyten zu identifizieren.

Diese Arbeit beleuchtet die Ergebnisse der ersten beiden Flüge in einer Serie von fünf Mikrogravitationsflügen, um die Leistung der Mikrofluidik unter Mikrogravitation zu bewerten. Die mikrofluidischen Ventilarrays unterstützten die Vorbereitung und Regulierung von Proben innerhalb des Instruments, um Proben automatisch zu kennzeichnen, zu inkubieren und an einen integrierten Kapillarelektrophorese-Chip zu liefern und laserinduzierte Fluoreszenz innerhalb desselben Aufbaus zu erkennen. Insgesamt enthielt das Instrument einen mikrofluidischen organischen Analysator, ein Mikroventil-Analysator-Array mit einem integrierten Chip für die laserinduzierte Fluoreszenzdetektion und eine Sensorsuite.

Das Forschungsteam untersuchte die allgemeinen Funktionsparameter während des Fluges, um sicherzustellen, dass alle Testumgebungen überwacht und reguliert wurden. Als die Flugzeugsimulation anstieg, sank der Druck und führte zu einem Gesamttemperaturabfall, der sich auf das Mikrofluidikinstrument auswirkte. Die Änderungen der Betriebsparameter hatten jedoch nur minimale Auswirkungen auf die Gesamtleistung des Instruments.

Estlack und das Team führten Strömungsratenanalysen während der Mond-, Mars- und Hypergravitationsperioden des Fluges durch. Sie stellten Veränderungen des anfänglichen Rückflusses und der Spitzenflussrate mit zunehmender Schwerkraft fest. Die Ergebnisse der Simulationen zeigten, dass die Gravitationsumgebung nur einen minimalen Einfluss auf die Leistung des Instruments hatte.

Basierend auf der Fähigkeit zur präzisen Volumenkontrolle unter verschiedenen Schwerkraftbedingungen führte das Team automatisierte Verdünnungen durch, um die Leistung der Instrumente für zukünftige Biomarker-Array-Tests zu bestimmen. Sie absolvierten drei Stufen der Verdünnungssequenz und zeichneten diese während des Fluges auf.

Während der ersten beiden Stufen übertrugen sie einen Puffer und ein Fluorophor in den gewünschten Verhältnissen in eine Aufbewahrungsmulde. Im letzten Schritt luden sie ein Mikrovolumen des verdünnten Fluorophors in eingebaute Detektionskanäle und transportierten es per Vakuum am Fluoreszenzdetektor vorbei. Die unter Mikrogravitation oder Marsgravitation durchgeführten Experimente entsprachen einer bestimmten Verdünnungssequenz und zeigten kaum Abweichungen.

Die Weltraumwissenschaftler und Bioingenieure integrierten die Ergebnisse der ersten beiden Flüge, um die Technologiebereitschaft des mikrofluidischen organischen Analysators zu verbessern. Ihre erfolgreiche Leistung unter Schwerelosigkeit rechtfertigte ihre Einbeziehung in Raumfahrtmissionen. Beispielsweise blieb die Pumpleistung des Instruments bei abnehmender Schwerkraft konstant, obwohl eine zunehmende Schwerkraft das Instrument im Mikroventil-Array-Bereich beeinträchtigte, blieb der organische Analysator unter verschiedenen Bedingungen jedoch unbeeinträchtigt.

Die Studienergebnisse unterstrichen die Eignung des Instruments für Anwendungen zur Erkennung und Bestimmung außerirdischer chemischer und biochemischer Analyten. Die Unempfindlichkeit des Instruments gegenüber einem Gravitationsfeld unter simulierten Bedingungen im Labor begründete seine Eignung für den Weltraumeinsatz.

Auf diese Weise untersuchten Zachary Estlack und Kollegen den technologischen Reifegrad eines mikrofluidischen Instruments für Weltraummissionen, um in Zukunft außerirdische biochemische Signaturen zu erforschen und die Gesundheit von Astronauten zu überwachen. Die aus diesem ersten Flug gewonnenen Erkenntnisse werden Auswirkungen auf zukünftige geplante Analysen unter Mikrogravitation und Hypergravitation haben, zu denen Untersuchungen der Kapillarelektrophorese und die Überwachung des Gesundheitszustands der Astronautenbesatzung mithilfe simulierter klinischer Tests gehören, um Biomarker von besonderem Interesse aufzudecken.

Die Ergebnisse dieser Studien und der geplanten künftigen Flüge werden die vielfältige Leistungsfähigkeit der Instrumente während und nach Abschluss der geplanten Weltraummissionen offenbaren.

Mehr Informationen: Estlack et al., Betrieb eines programmierbaren mikrofluidischen organischen Analysators unter Mikrogravitationsbedingungen zur Simulation von Raumflugumgebungen, npj Microgravity (2023). DOI: 10.1038/s41526-023-00290-3

Alison M. Skelley et al., Entwicklung und Bewertung eines Mikrogeräts zur Erkennung und Analyse von Aminosäurebiomarkern auf dem Mars, Proceedings of the National Academy of Sciences (2005). DOI: 10.1073/pnas.0406798102

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