Das SEM Mikroskopie (Rasterelektronenmikroskop) Bild zeigt einen Biofilm auf Stahl, gebildet von einem Staphylococcus capitis Stamm, der von der ISS isoliert wurde.
Antimikrobielle Oberflächen für den Weltraum und die Erde
Die Bilder zeigen zwei Experimente, die auf der Internationalen Raumstation (ISS) zur Untersuchung antimikrobieller Materialien unter realen Weltraumbedingungen durchgeführt wurden. In den Experimenten „BIOFILMS“ und „Touching Surfaces“ wird die Wirkung unterschiedlicher Oberflächen auf Biofilmbildung und antimikrobielle Effizienz analysiert. Ein Fokus liegt dabei z.B. auf der Veränderung der Wirksamkeit durch wiederholtes Berühren der Materialien im Rahmen des astronautischen Alltags. Die Untersuchungen wurden während Missionen auf der Internationalen Raumstation durchgeführt, unter anderem mit Beteiligung von Matthias Maurer im Rahmen der Cosmic Kiss Mission, in enger Kooperation mit der Hochschule Bonn Rhein-Sieg und der Universität des Saarlandes.
Bild: 2/5, Credit:
DLR/ESA
Biotechnologische Nutzung von Mikroorganismen
Die Abbildung illustriert verschiedene Ansätze zur biotechnologischen Nutzung von Mikroorganismen. Ein Schwerpunkt liegt auf der Isolation und Untersuchung pigmentbildender Mikroorganismen aus (extremen) Habitaten, einschließlich der Produktion von Melanin und weiteren Pigmenten mit funktionellen Eigenschaften, etwa im Hinblick auf Strahlenschutz. Darüber hinaus zeigt die Abbildung ein Beispiel mikrobieller Biolaugungsprozesse, bei denen Mikroorganismen wie Penicillium simplicissimum zur Mobilisierung und Freisetzung von Metallen aus mineralischen Substraten, hier exemplarisch aus simuliertem Mondstaub, eingesetzt werden. Diese Arbeiten tragen zur Bewertung mikrobieller Ressourcennutzungsstrategien bei.
Die Arbeitsgruppe Luft- und Raumfahrtmikrobiologie erforscht die Gesunderhaltung des Menschen in luftfahrt-, raumfahrt- und verkehrsrelevanten Umgebungen. Ziel unserer Arbeit ist es, mikrobielle Risiken sowie funktionale Eigenschaften und Nutzungspotenziale von Mikroorganismen systematisch zu identifizieren, wissenschaftlich zu bewerten und daraus geeignete präventive, technische und biotechnologische Maßnahmen abzuleiten – sowohl für den öffentlichen Verkehrsraum als auch für astronautische Raumfahrtmissionen.
Ein wesentlicher Schwerpunkt der Arbeitsgruppe liegt auf der Untersuchung mikrobieller Belastungen und mikrobieller Gemeinschaften in geschlossenen Umgebungen des Verkehrs-, Luftfahrt- und Raumfahrtkontexts. Dabei werden mikrobielle Expositionen sowie Veränderungen von Umweltmikrobiomen erfasst und bewertet, um Grundlagen für die Gesunderhaltung des Menschen und für geeignete präventive Maßnahmen zu schaffen. Ergänzend werden Strategien zur Kontrolle mikrobieller Belastungen sowie der Einsatz geeigneter Materialien und Verfahren untersucht.
Darüber hinaus untersuchen wir das Überleben und die Anpassungsmechanismen von Mikroorganismen unter extremen Umweltbedingungen wie Schwerelosigkeit, Strahlung, Vakuum und Austrocknung. Diese Arbeiten erfolgen sowohl in Labor- und Weltraumsimulationsanlagen als auch im Rahmen realer Weltraumexperimente, beispielsweise auf der Internationalen Raumstation (ISS). Darüber hinaus leisten wir Beiträge zur mikrobiologischen Qualitätssicherung im Rahmen von Fragestellungen zur Erfassung, Bewertung und Begrenzung mikrobieller Kontamination im Kontext von Raumfahrtmissionen (Planetary Protection).
Mikrobiologische Aspekte der Gesunderhaltung des Menschen
Wir erfassen Ausmaß, Zusammensetzung und Dynamik mikrobieller Kontamination in luftfahrt-, raumfahrt- und verkehrsrelevanten Umgebungen, insbesondere in Passagierbereichen und Kabinen. Neben dem Monitoring und der Charakterisierung der Mikroorganismen evaluieren wir präventive und kontrollierende Maßnahmen, darunter antimikrobielle Materialien, Oberflächenbeschichtungen und innovative Desinfektionskonzepte. Ein weiterer Schwerpunkt ist das mikrobiologische Monitoring geschlossener Räume mit Bezug zum öffentlichen Personennahverkehr.
Langzeitaufenthalte im Weltraum beeinflussen die menschliche Physiologie. Wie sich dabei das humane Mikrobiom verändert und damit die Gesundheit sowie die Leistungsfähigkeit von Astronautinnen und Astronauten beeinträchtigt, ist ebenfalls eines unserer Forschungsfelder. In verschiedenen Studien, darunter Bettruhestudien in Kopf-Tieflage als Modell für Schwerelosigkeit, untersuchen wir die Auswirkungen simulierter Mikrogravitation auf das humane Mikrobiom und erforschen mögliche Gegenmaßnahmen.
Mikrobiologische Anpassungsmechanismen und funktionale Nutzung
Extreme Lebensräume gelten als natürliche Reservoirs für Mikroorganismen und Enzyme mit funktionalem Potenzial für technische, medizinische und präventive Anwendungen. Ein Forschungsschwerpunkt liegt auf der Untersuchung mikrobieller Prozesse zur Ressourcennutzung unter extremen Bedingungen, unter anderem im Bereich des Biomining, bei dem Mikroorganismen zur Gewinnung von Rohstoffen aus Regolith untersucht werden – sowohl mit Blick auf erdgebundene Anwendungen als auch auf zukünftige Raumfahrtmissionen.
Ergänzend erforschen wir die molekularen und physiologischen Mechanismen, die Mikroorganismen das Überleben unter Umweltstress wie Strahlung, Austrocknung oder veränderter Schwerkraft ermöglichen. Dazu zählen neben Untersuchungen an human pathogenen Stämmen, auch Untersuchungen an extremophilen und pigmentierten Stämmen, die aus extremen Habitaten isoliert wurden. Diese Organismen werden im Hinblick auf ihre funktionalen Eigenschaften analysiert, insbesondere in Bezug auf potenzielle Beiträge zum biologischen Strahlenschutz zur Gesunderhaltung des Menschen in extremen Umgebungen.
Zudem untersuchen wir mikrobielle Interaktionen, molekulare Anpassungen und Wachstum unter realen und simulierten Raumfahrtbedingungen. Zum Beispiel Mithilfe fluoreszenzbasierter Verfahren analysieren wir im Rahmen von Flugexperimenten, unter anderem mit dem Mikroskopsystem FLUMIAS, Prozesse wie die bakterielle Konjugation. Diese Untersuchungen liefern wichtige Erkenntnisse zur möglichen Veränderung von Anpassungs- und Ausbreitungsmechanismen mikrobieller Eigenschaften unter Schwerelosigkeit und tragen zur Bewertung potenzieller Risiken für die menschliche Gesundheit in geschlossenen Raumfahrtsystemen bei.
Kontakt
Dr. rer. nat. Stefan Leuko
Stellvertretende Leitung Angewandte Luft- und Raumfahrtbiologie
