Microfluidos en el espacio para detectar firmas de vida extraterrestre y monitorear la salud de los astronautas

Mar 07, 2024

Característica del 15 de junio de 2023

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por Thamarasee Jeewandara, Phys.org

En un nuevo informe publicado ahora en npj Microgravity, Zachary Estlack y un equipo de investigación en ingeniería mecánica y ciencias espaciales de la Universidad de Utah y la Universidad de California, Berkeley, desarrollaron un analizador orgánico de microfluidos para detectar firmas de vida más allá de la Tierra y monitorear clínicamente Salud del astronauta. El equipo realizó pruebas ambientales exhaustivas en diversas atmósferas gravitacionales para confirmar la funcionalidad del analizador y su nivel de preparación tecnológica.

Los científicos planetarios simularon entornos de condiciones lunares, marcianas, de gravedad cero y de hipergravedad que normalmente se encuentran durante un vuelo parabólico para confirmar la funcionalidad del analizador de microfluidos. Los resultados del estudio allanan el camino para integrar instrumentos de microfluidos en una variedad de oportunidades de misiones espaciales.

Los microfluidos presentan una importante innovación técnica para la investigación biomédica in vitro. El concepto también es adecuado en astrobiología para análisis de firmas biológicas en vuelos espaciales mediante la regulación de volúmenes de fluidos a escala nano/micro en investigaciones bioquímicas altamente sensibles, manteniendo al mismo tiempo una huella física mínima. Por ello, los instrumentos en miniatura resultan especialmente atractivos para analizar huellas biológicas de vida extraterrestre.

Los científicos planetarios ya han recopilado y estudiado en profundidad muestras de hielo de las lunas de Saturno y Júpiter, Encelado y Europa, con dispositivos de microfluidos. Estos instrumentos analíticos también son útiles para controlar la salud de la tripulación de vuelo. Aunque los sistemas de bioanálisis de microfluidos aún están en desarrollo, los bioingenieros apuntan a mejorar su sensibilidad gravitacional y eficiencia energética para la exploración espacial in situ reconfigurable y compacta.

Estlack y sus colegas desarrollaron un sistema analizador orgánico de microfluidos (MOA) con una matriz de microondas programable (PMA) integrada junto con microcanales de vidrio y un sistema de detección de fluorescencia inducida por láser (LIF). Durante el desarrollo del analizador orgánico, se centraron en un sistema de instrumentos de formato de vuelo con nivel de preparación tecnológica para evaluar la madurez del dispositivo para su comercialización, según sea apropiado para vuelos espaciales, para identificar los analitos de interés.

Este trabajo arroja luz sobre los resultados de los dos primeros vuelos de una serie de cinco vuelos en microgravedad, para evaluar el rendimiento de los microfluidos en microgravedad. Los conjuntos de válvulas de microfluidos ayudaron en la preparación y regulación de muestras dentro del instrumento, para etiquetar, incubar y entregar muestras automáticamente a un chip de electroforesis capilar integrado y detectar la fluorescencia inducida por láser dentro de la misma configuración. En total, el instrumento integraba un analizador orgánico de microfluidos, una matriz de analizadores de microválvulas que contiene un chip integrado para la detección de fluorescencia inducida por láser y un conjunto de sensores.

El equipo de investigación estudió los parámetros funcionales generales durante el vuelo para garantizar que todos los entornos de prueba fueran monitoreados y regulados. A medida que la simulación del avión ascendía, la presión descendía y provocaba una caída general de la temperatura, lo que influía en el instrumento de microfluidos. Sin embargo, los cambios en los parámetros operativos tuvieron un impacto mínimo en el rendimiento general del instrumento.

Estlack y el equipo realizaron análisis de caudal durante los períodos del vuelo lunar, marciano y de hipergravedad. Notaron cambios en el contraflujo inicial y en el caudal máximo con el aumento de la gravedad. Los resultados de las simulaciones mostraron que el entorno gravitacional tenía una influencia mínima en el rendimiento del instrumento.

Basándose en la capacidad de controlar el volumen con precisión en una variedad de condiciones gravitacionales, el equipo realizó diluciones automatizadas para determinar el rendimiento de los instrumentos para futuras pruebas de matrices de biomarcadores. Completaron tres etapas de la secuencia de dilución y las registraron durante el vuelo.

Durante las dos primeras etapas, transfirieron un tampón y un fluoróforo a un pozo de almacenamiento en las proporciones deseadas. Durante la etapa final, cargaron un microvolumen del fluoróforo diluido en canales de detección incorporados y lo transfirieron más allá del detector de fluorescencia mediante vacío. Los experimentos realizados bajo microgravedad o gravedad marciana correspondieron a una secuencia de dilución específica y mostraron poca variación.

Los científicos espaciales y bioingenieros integraron los resultados de los dos primeros vuelos para mejorar la preparación tecnológica del analizador orgánico de microfluidos. Su exitoso desempeño bajo microgravedad justificó su inclusión en misiones de vuelos espaciales. Por ejemplo, al disminuir la gravedad, el rendimiento de bombeo del instrumento se mantuvo constante, aunque el aumento de la gravedad afectó al instrumento en la región del conjunto de microválvulas; sin embargo, el analizador orgánico no se vio afectado en condiciones variables.

Los resultados del estudio destacaron la idoneidad del instrumento para aplicaciones que detectan y determinan analitos químicos y bioquímicos extraterrestres. La insensibilidad del instrumento al campo gravitacional en condiciones simuladas en el laboratorio justificó su idoneidad para el despliegue espacial.

De esta manera, Zachary Estlack y sus colegas estudiaron el nivel de preparación tecnológica de un instrumento de microfluidos para misiones espaciales con el fin de explorar firmas bioquímicas extraterrestres y monitorear la salud de los astronautas en el futuro. Las lecciones aprendidas de este primer vuelo afectarán los futuros análisis planificados en microgravedad e hipergravedad, que incluyen investigaciones de electroforesis capilar y monitoreo de la salud de la tripulación de astronautas mediante ensayos clínicos simulados para revelar biomarcadores de interés específico.

Los resultados de estos estudios y los futuros vuelos previstos revelarán la diversa capacidad de los instrumentos durante y después de completar las misiones espaciales previstas.

Más información: Estlack et al, Operación de un analizador orgánico de microfluidos programable en condiciones de microgravedad que simulan entornos de vuelos espaciales, npj Microgravity (2023). DOI: 10.1038/s41526-023-00290-3

Alison M. Skelley et al, Desarrollo y evaluación de un microdispositivo para la detección y análisis de biomarcadores de aminoácidos en Marte, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2005). DOI: 10.1073/pnas.0406798102

Información de la revista:procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias

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