El Centro de Ingeniería de Biopelículas ( CBE ) es una institución interdisciplinaria de investigación, educación y transferencia de tecnología ubicada en el campus central de la Universidad Estatal de Montana en Bozeman, Montana . El centro fue fundado en abril de 1990 como el Centro de Ingeniería de Procesos Microbianos Interfaciales con una subvención del programa de Centros de Investigación de Ingeniería (ERC) de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF). [3] El CBE integra profesores de varios departamentos universitarios para liderar equipos de investigación multidisciplinarios, incluidos estudiantes de posgrado y pregrado, para avanzar en el conocimiento fundamental de las biopelículas , desarrollar usos beneficiosos para las biopelículas microbianas y encontrar soluciones a problemas de biopelículas relevantes a nivel industrial. El centro aborda problemas de biopelículas, incluidas las heridas crónicas , la biorremediación y la corrosión microbiana a través de la investigación y la educación interdisciplinarias entre ingenieros , microbiólogos y la industria. [4] [5]
El centro se originó como el Instituto de Análisis de Procesos Químicos y Biológicos (IPA) en 1983. [1] En 1990, el centro se convirtió en un ERC nacional como el Centro de Ingeniería de Procesos Microbianos Interfaciales con base en una subvención de $7.2 millones de la NSF. [2] En 1993, el centro asumió su nombre actual: Centro de Ingeniería de Biopelículas. Las subvenciones originales expiraron en 2001 y el centro se volvió autosuficiente.
En 1979, WG (Bill) Characklis llegó a la Universidad Estatal de Montana desde la Universidad Rice como profesor de ingeniería civil (ambiental) y química. Reunió un equipo multidisciplinario de ingenieros , microbiólogos y químicos para estudiar los procesos y efectos del crecimiento microbiano en las interfaces [6] Estableció un instituto de biotecnología ambiental interdisciplinario para abordar las necesidades de la industria en las áreas de bioincrustación , corrosión microbiana y tecnología de biopelículas. [1] El Instituto de Análisis de Procesos Químicos y Biológicos (IPA) fue fundado por la Junta de Regentes de Montana en 1983 dentro de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Estatal de Montana. Bill Characklis fue su primer director. El IPA proporcionó la base para el eventual estatus de Centro de Investigación de Ingeniería de varias maneras. El IPA llevó a cabo investigación, desarrollo y pruebas fundamentales para la industria y agencias gubernamentales y persiguió proyectos de biopelículas que cruzaron los límites de las disciplinas científicas tradicionales. [7] El IPA estableció un programa de membresía de Asociados Industriales y en 1989 el programa tenía 12 miembros participantes. [8]
En 1989, el IPA solicitó a la NSF el estatus de Centro de Investigación en Ingeniería, que le fue otorgado en abril de 1990. [3] El Centro de Ingeniería de Procesos Microbianos Interfaciales se estableció como uno de los tres Centros de Investigación en Ingeniería nacionales de un total de 48 solicitantes. [9] Como ERC, la nueva organización se encargó de crear un programa de investigación y educación interdisciplinario en la Universidad Estatal de Montana, así como de aumentar la competitividad industrial de los EE. UU. en tecnologías relacionadas con las biopelículas. El estatuto del centro establecía que los programas de investigación, educación y transferencia de tecnología se integrarían plenamente en la planificación del programa del centro. El programa de Asociados Industriales siguió utilizándose como un mecanismo para que el centro obtuviera información de la industria sobre problemas significativos relacionados con las biopelículas y colaborara en iniciativas de investigación del centro diseñadas para abordar cuestiones relacionadas con las biopelículas. El programa de educación del centro reclutó a estudiantes para participar en equipos de investigación interdisciplinarios e interactuar con representantes de la industria. [1]
La concesión de 7,2 millones de dólares en subvenciones de la NSF durante los primeros cinco años permitió la expansión de la investigación del centro a nuevas áreas, en particular la biorremediación y la biohidrometalurgia . El enfoque industrial del centro se amplió desde el control y la mitigación de biopelículas hasta incluir el uso positivo de los procesos de biopelículas para descomponer los contaminantes del suelo y el agua, así como la extracción de minerales de menas de baja calidad. [1] Los proyectos del centro se diseñaron para abarcar escalas de investigación desde la escala fundamental de laboratorio hasta experimentos aplicados a escala de campo. Estos proyectos permitieron el desarrollo continuo de microsensores para medir gradientes de gases y pH dentro de las comunidades de biopelículas, [10] la microscopía para dilucidar la actividad fisiológica de los organismos de la comunidad [11] y el modelado para predecir el comportamiento de las biopelículas. [12]
En 1992, dos años después de su creación, falleció el primer director del centro, Bill Characklis. La Universidad Estatal de Montana manifestó su compromiso con el centro contratando a JW (Bill) Costerton , profesor de microbiología de la Universidad de Calgary , como director ejecutivo y a James Bryers, profesor de ingeniería bioquímica de la Universidad de Duke , como director de investigación del centro. En 1993, el nombre del centro se cambió a Centro de Ingeniería de Biopelículas (CBE). [13]
Bajo la dirección de Costerton, el centro continuó cumpliendo con su misión y comenzó a ampliar su ámbito de investigación. Costerton alentó la exploración del efecto bioeléctrico , [14] el fenómeno de la señalización entre células y su relación con la estructura de la biopelícula [15] y las tecnologías de biobarreras subterráneas para proteger el agua y los suelos de la contaminación minera. [16] El interés industrial y la membresía crecieron en respuesta a temas de investigación más diversificados. Para 1996, la membresía de Industrial Associate había crecido a 19 miembros diversificados, incluidos miembros que representaban el tratamiento del agua, la minería, los laboratorios gubernamentales, los productos químicos especiales, los productos de consumo y las compañías de petróleo y energía. [17] En junio de 1996, la National Science Foundation renovó su compromiso con el Centro de Ingeniería de Biopelícula con una nueva subvención de cinco años de $ 7,6 millones. [4]
En 1996, el perfil nacional del CBE y la investigación sobre biopelículas estaba en aumento. Numerosas publicaciones científicas y de medios de comunicación comenzaron a abordar la tecnología de las biopelículas con seriedad. Un artículo en la edición de septiembre de 1996 de Science , titulado "Las biopelículas invaden la microbiología", presentó el trabajo y la historia del Centro de Ingeniería de Biopelículas. [4] Otras revistas y periódicos que se han ocupado de las biopelículas y la investigación sobre la CBE han sido New Scientist (artículo de portada, 31 de agosto de 1996), [18] Science News (26 de abril de 1997), [19] Chicago Sun-Times (17 de mayo de 1998), [20] Science (19 de marzo de 1999), [21] Businessweek (12 de septiembre de 1999), [22] Knight Ridder/Tribune News Service (7 de enero de 2000), [23] Nature (16 de noviembre de 2000) [24] y The Boston Globe (28 de mayo de 2002). [25] En 2001, Costerton y el subdirector de la CBE, Philip S. Stewart, escribieron un artículo sobre biopelículas titulado "Battling Biofilms" (Luchando contra las biopelículas), publicado en Scientific American (1 de julio de 2001). [26]
El programa ERC de la NSF fue diseñado para crear centros institucionales que fueran autosuficientes en diez años. El Centro de Ingeniería de Biopelículas de la Universidad Estatal de Montana comenzó a planificar la autosuficiencia en 1998 mediante el establecimiento de un Grupo de Trabajo de Autosuficiencia en la universidad. El centro logró la autosuficiencia en 2001 y continúa siendo financiado en parte a través de subvenciones federales y privadas con un énfasis continuo en brindar valor a los Asociados Industriales y el apoyo de la Universidad Estatal de Montana y el Estado de Montana . [27] En 2005, Philip S. Stewart, profesor de ingeniería química y biológica, fue seleccionado para ser el tercer Director de CBE. Stewart, que había participado como miembro de la facultad de CBE desde 1991, era un experto líder en antimicrobianos y control de biopelículas. [28] [29] [30] Bajo el mandato de Stewart, CBE creció en números de profesores afiliados, membresía industrial, número de pruebas y proyectos patrocinados por la industria, y la participación de estudiantes de pregrado y posgrado. Matthew Fields se convirtió en el cuarto director del CBE en 2015. En el año fiscal 2022, el CBE generó 1,2 millones de dólares trabajando con empresas que representan una variedad de sectores industriales en proyectos de prueba. El centro es uno de los 24 centros de investigación de ingeniería autosostenibles del programa de la Fundación Nacional de Ciencias. [31] El CBE apareció de forma destacada en el libro Agents of Change: NSF's Engineering Research Centers, publicado en 2020 por la NSF y la Sociedad Estadounidense de Educación en Ingeniería.
El programa de investigación de biopelículas del centro se estableció en la década de 1980 con un enfoque en la bioingeniería ambiental, la investigación interdisciplinaria y la participación industrial. La experiencia del personal docente en ingeniería civil y ambiental, matemáticas, microbiología, ingeniería química y biológica , química y bioquímica, ingeniería mecánica e industrial, informática, ingeniería eléctrica y estadística contribuye al desarrollo de hipótesis y al diseño experimental. El centro lleva a cabo investigaciones que incluyen múltiples escalas de observación, desde la escala molecular hasta la escala de campo industrial, con proyectos que cubren temas fundamentales y aplicados. Los equipos de investigación del CBE han sido parte de numerosos avances innovadores en la ciencia y la tecnología de las biopelículas, incluidos: detección de quórum , [32] permeabilidad (ciencias de la tierra) , [33] biomineralización , [34] tolerancia a los antimicrobianos , [28] viscoelasticidad , [35] desprendimiento, [36] métodos estandarizados de biopelículas, [37] heridas crónicas , [38] combustible de algas , [39] corrosión microbiana, [40] bacterias reductoras de sulfato , [41] y estructura y función de la biopelícula. [42] La investigación del CBE se ha publicado en revistas revisadas por pares de alto perfil, entre ellas: Nature , [43] The Lancet , [44] Science , [45] [46] JAMA , [47] PNAS , [48] [49] EMBO Journal , [50] ISME Journal , [51] [52] Nature Reviews Microbiology [53] [54] y Physical Review Letters . [55] Para 2022, los autores del CBE habían publicado más de 1331 artículos revisados por pares.[1] Más de 20 de las imágenes relacionadas con biopelículas del centro han aparecido en las portadas de revistas revisadas por pares. Y desde su inicio en 2011, los usuarios de 40 países y 50 estados han descargado 3761 imágenes de la biblioteca de imágenes del CBE. [56]
Los temas de investigación aplicada abordados por el centro en 2022 incluyeron: [5]
Otros temas de investigación en 2022 incluyeron:
La posición del centro en la comunidad internacional de investigación y su fomento de la colaboración atraen regularmente a estudiantes y profesores visitantes de numerosas instituciones de los EE. UU. y de países extranjeros. Desde 1990, 343 investigadores visitantes de más de 30 países y 38 estados de los EE. UU. pasaron desde varias semanas hasta un año o más estudiando biopelículas en los laboratorios del CBE. [57]
El programa de Asociados Industriales del centro brinda acceso a información, experiencia, capacitación y otros beneficios del centro por una tarifa de suscripción anual. El programa comenzó en 1983 con la creación del Instituto de Análisis de Procesos Químicos y Biológicos. [7] El grupo de investigación de Métodos de Biopelícula Estandarizados (SBM) del CBE se centra en temas de interés para las empresas que desarrollan nuevos productos que abordan la formación de biopelículas. Los investigadores desarrollan, refinan y publican métodos cuantitativos para cultivar, tratar, muestrear y analizar bacterias de biopelículas. Los miembros del laboratorio del SBM trabajan con organizaciones internacionales de normalización para asegurar la aprobación de los métodos de biopelículas por parte de la comunidad de normalización. [58] En virtud de un contrato con la Agencia de Protección Ambiental de los EE. UU ., el SBM realiza investigaciones de laboratorio para respaldar el desarrollo y la estandarización de métodos de prueba para medir el desempeño de los productos antimicrobianos, incluidos los de las bacterias de biopelículas, y brindar servicios estadísticos relacionados con el Programa de Pruebas Antimicrobianas de la Oficina de Programas de Pesticidas de la EPA. [59] El CBE desarrolló los estándares de prueba antimicrobianos adoptados en 2018 por la Agencia de Protección Ambiental de los EE. UU. Las normas son las primeras que se aplican específicamente a las biopelículas bacterianas. Las normas son el resultado de la investigación de Darla Goeres, profesora de investigación de ciencias regulatorias y miembro de la facultad de CBE. Las normas proporcionan un marco de certificación para que las empresas verifiquen que sus productos son eficaces contra las bacterias de las biopelículas y los etiqueten en consecuencia, con una declaración similar a la "Mata el 99,9% de las bacterias" que se encuentra en las botellas de lejía y otros limpiadores. Según el bioestadístico de CBE Al Parker, los fabricantes de antimicrobianos están ansiosos por obtener la certificación debido a la creciente conciencia sobre las biopelículas bacterianas. Las entidades de salud pública como los hospitales, que esterilizan rutinariamente el equipo médico, como los dispositivos quirúrgicos, están particularmente interesadas, dijo. "Ha habido un cambio de paradigma", dijo Parker, cuyo análisis estadístico jugó un papel central en la configuración del marco de prueba.
En 2013, el director del CBE, Phil Stewart, y el coordinador industrial del CBE, Paul Sturman, trabajaron en colaboración con la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA) para copatrocinar un taller de un día sobre biopelículas. El taller resultante, "Biopelículas, dispositivos médicos y tecnología antibiopelículas: desafíos y oportunidades", se celebró en el campus White Oak de la FDA el 20 de febrero de 2014. [60] [61] Se celebró una reunión de seguimiento organizada por el CBE el 11 de febrero de 2015 en College Park, Maryland , titulada "Tecnologías antibiopelículas: caminos hacia la productividad" para seguir fomentando el diálogo científico entre las agencias gubernamentales de los Estados Unidos, la industria y el mundo académico. [62]
Las empresas miembro representan a varias categorías industriales, entre ellas, energía y petróleo, productos químicos y químicos especiales, productos para el hogar y de consumo, productos médicos y sanitarios, laboratorios de pruebas, laboratorios gubernamentales, agua, pulpa y papel, y minería. Los miembros van desde grandes corporaciones internacionales de Fortune 500 hasta pequeñas empresas emergentes.
Los estudiantes de grado y posgrado participan en investigaciones interdisciplinarias y colaborativas en el centro. Los estudiantes trabajan bajo la guía de profesores multidisciplinarios para resolver problemas asociados con biopelículas en contextos médicos, industriales y ambientales. Profesores y estudiantes de los siguientes departamentos y programas de la MSU participaron en la investigación del centro desde 2011 hasta 2022. [63]
El Centro de Experiencia de Investigación de Pregrado (URE) de Ingeniería de Biopelículas fue fundado por el Director JW (Bill) Costerton y Ryan Jordan a fines de la década de 1990. El candidato a doctorado (y posterior ingeniero de investigación sénior en el CBE) Jordan dirigió a los primeros estudiantes de URE del CBE como parte de un programa de calidad del agua en el interior del Parque Nacional de Yellowstone y el desierto Bridger-Teton, donde los estudiantes de URE bajo la dirección de Jordan se convirtieron en los primeros investigadores en identificar el papel de la biopelícula en la falla de los filtros portátiles de tratamiento de agua utilizados en aplicaciones de socorro en casos de desastre, militares y de recreación al aire libre.
Los estudiantes de pregrado son contratados como asistentes de investigación de pregrado y trabajan en los laboratorios del CBE como miembros de equipos de investigación en proyectos interdisciplinarios de biopelículas. Se anima a los estudiantes de pregrado del CBE a adquirir competencias en habilidades de laboratorio, diseño experimental y comunicación grupal. Desde 1990, 1.254 estudiantes de pregrado de 15 disciplinas han trabajado en proyectos de biopelículas de laboratorio bajo la dirección de profesores afiliados al CBE. Durante el año académico 2021-22, 59 estudiantes de pregrado se formaron en el CBE, incluidas 39 mujeres y 20 hombres. [57] [63]
Los estudiantes de posgrado obtienen su título en una disciplina ofrecida a través de uno de los departamentos de ciencia, agricultura o ingeniería en la Universidad Estatal de Montana mientras realizan su investigación en los laboratorios de CBE. Los comités de estudiantes de posgrado suelen ser interdisciplinarios. Los miembros del comité de estudiantes y posgrado seleccionan los cursos apropiados para los intereses del estudiante y el programa de grado. Se anima a los estudiantes de ingeniería a tomar cursos de microbiología; se anima a los estudiantes de ciencias a tomar cursos de ingeniería relevantes. Los estudiantes de posgrado adquieren experiencia al diseñar y realizar investigaciones que cruzan los límites de las disciplinas académicas tradicionales y tienen un impacto directo en los problemas ambientales, industriales y médicos actuales. Los estudiantes trabajan en proyectos que van desde temas fundamentales hasta temas aplicados. Además, el programa Industrial Associates de CBE permite a los estudiantes entablar relaciones laborales con empleadores potenciales. Se anima a los estudiantes de posgrado a desarrollar sus habilidades de comunicación y liderazgo presentando en conferencias de investigación, asesorando a estudiantes universitarios, organizando la serie de seminarios de CBE y ayudando con los esfuerzos de divulgación. [64] Desde 1990, CBE ha graduado a 303 estudiantes de posgrado. Y 62 estudiantes de posgrado se formaron en el CBE, incluidos 33 mujeres, 28 hombres y una persona no binaria. [57] [63]
Establecer un nuevo Centro de Ingeniería de Procesos Microbianos Interfaciales; el trabajo se centrará en la bioincrustación y la biocorrosión, la biorremediación y la biohidrometalurgia. 7,2 millones de dólares de la NSF a la Universidad Estatal de Montana, Bozeman.