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

15 de junio de 2023 feature

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corregido por Thamarasee Jeewandara, Phys.org

En un nuevo informe publicado 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 microfluídico para detectar firmas de vida más allá de la Tierra y para monitorear clínicamente la salud de los astronautas. El equipo realizó extensas pruebas ambientales en diversas atmósferas gravitatorias para confirmar la funcionalidad del analizador y su nivel de preparación tecnológica.

Los científicos planetarios simularon entornos de condiciones de gravedad lunar, marciana, cero e hipergravitatorias que se encuentran típicamente durante un vuelo parabólico para confirmar la funcionalidad del analizador microfluídico. Los resultados del estudio allanan el camino para integrar instrumentos microfluídicos en una variedad de oportunidades de misiones espaciales.

La microfluídica presenta una importante innovación técnica para la investigación biomédica in vitro. El concepto también es adecuado en astrobiología para el análisis de vuelo espacial de firmas biológicas regulando los volúmenes de fluidos a nano / micro-escala en investigaciones bioquímicas altamente sensibles, al tiempo que mantiene una pequeña huella física. Como resultado, los instrumentos en miniatura son especialmente atractivos para analizar impresiones biológicas de vida extraterrestre.

Los científicos planetarios ya han recolectado y estudiado muestras de hielo en profundidad de las lunas Encélado y Europa de Saturno y Júpiter con dispositivos microfluídicos. Tales instrumentos analíticos también son útiles para monitorear la salud de la tripulación de vuelo. Aunque los sistemas de bioanálisis microfluídicos todavía están en desarrollo, los bioingenieros apuntan a mejorar su sensibilidad gravitatoria y eficiencia energética para la exploración espacial in situ reconfigurable y compacta.

Estlack y sus colegas desarrollaron un sistema de analizador orgánico microfluídico (MOA) con un conjunto integrado de microondas programable (PMA) junto con microcanales de vidrio y un sistema de detección de fluorescencia inducida por láser (LIF). Durante el desarrollo del analizador orgánico, se enfocaron en un sistema de instrumento de formato de vuelo de nivel de madurez tecnológica para evaluar la madurez del dispositivo para la comercialización, según corresponda para el vuelo espacial, para identificar los analitos de interés.

Este trabajo arroja luz sobre los resultados de los primeros dos vuelos en una serie de cinco vuelos de microgravedad, para evaluar el desempeño de la microfluídica bajo microgravedad. Las matrices de válvulas microfluídicas ayudaron en la preparación y regulación de muestras dentro del instrumento, para etiquetar, incubar y entregar automáticamente muestras a un microchip integrado de electroforesis capilar y detectar la fluorescencia inducida por láser dentro de la misma configuración. En total, el instrumento integra un analizador orgánico microfluídico, una matriz de analizador de microválvulas que contiene un chip integrado para la detección de fluorescencia inducida por láser y una suite de sensores.

El equipo de investigación estudió los parámetros funcionales generales durante el vuelo para asegurarse de que todos los entornos de prueba fueran monitoreados y regulados. A medida que la simulación del avión subió, la presión cayó y resultó en una caída general en la temperatura, lo que influyó en el instrumento microfluídico. 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 velocidad de flujo durante los períodos de gravedad lunar, marciano e hipergravitatorio del vuelo. Observaron cambios en el flujo de retroceso inicial y la velocidad de pico con el aumento de la gravedad. Los resultados de las simulaciones mostraron que el entorno gravitatorio tuvo un impacto mínimo en el rendimiento del instrumento.

Basándose en la capacidad de control de volumen preciso bajo una variedad de condiciones gravitatorias, el equipo realizó diluciones automatizadas para determinar el rendimiento de los instrumentos para la prueba de matriz de biomarcadores futuros. Completaron tres etapas de la secuencia de dilución y las registraron durante el vuelo.

During the first two stages, they transferred a buffer and a fluorophore to a storage well in desired ratios. During the final stage, they loaded a microvolume of the diluted fluorophore into built-in detection channels and transferred it past the fluorescence detector via vacuum. The experiments performed under microgravity or Martian gravity corresponded to a specific dilution sequence and showed little variation.

The space scientists and bioengineers integrated the results from the first two flights to improve the Technology Readiness of the microfluidic organic analyzer. Their successful performance under microgravity justified their inclusion in spaceflight missions. For instance, with decreasing gravity, the pumping performance of the instrument remained constant, although increased gravity impaired the instrument in the microvalve array region, nevertheless, the organic analyzer remained unaffected throughout varying conditions.

The study outcomes highlighted the suitability of the instrument for applications that detect and determine extraterrestrial chemical and biochemical analytes. The insensitivity of the instrument towards a gravitational field under simulated conditions in the lab justified its suitability for space deployment.

In this way, Zachary Estlack and colleagues studied the technology readiness level of a microfluidic instrument for space missions to explore extraterrestrial biochemical signatures and monitor astronaut health in the future. The lessons learned from this first flight will impact future planned analyses under microgravity and hypergravity, which include investigations of capillary electrophoresis and astronaut crew health monitoring via simulated clinical assays to reveal biomarkers of specific interest.

The outcomes of these studies and the planned future flights will reveal the diverse capacity of the instruments during and after completing the planned space missions.

Journal information: Proceedings of the National Academy of Sciences

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