Mikroby z ekstremów Ziemi mogą zdradzić, czy coś żyje na Marsie

Najtwardsze mikroby na Ziemi potrafią przetrwać tam, gdzie wszystko inne dawno by zginęło.

Naukowcy zaczynają traktować je jak mapę do życia poza naszą planetą.

Badacze od lat znajdują mikroorganizmy w gotujących się źródłach, pod lodem sprzed tysięcy lat i na dnie oceanów. Nowa analiza sugeruje, że właśnie te skrajnie odporne formy życia mogą podpowiedzieć, czego szukać na Marsie czy na lodowych księżycach Jowisza.

Ekstremofile: mikroby, które łamią wszystkie zasady

Wyobraź sobie bakterię, która „pływa” w kwasie, znosi temperatury sięgające blisko wrzenia wody, albo radiację, która dla człowieka oznaczałaby natychmiastową śmierć. Tak funkcjonują ekstremofile – mikroorganizmy przystosowane do warunków, które zwykle opisujemy jednym słowem: nie do życia.

Przez długi czas traktowano je jak ciekawostkę z marginesu biologii. Teraz stają się głównymi bohaterami nowych projektów badawczych. W czasopiśmie „Frontiers in Microbiology” opisano, jak ich niezwykłe cechy mogą zmienić nie tylko przemysł i ochronę środowiska, lecz także sposób, w jaki szukamy śladów życia poza Ziemią.

Ekstremofile tworzą enzymy, które działają tam, gdzie zwykłe białka ulegają denaturacji, rozpadają się lub przestają pełnić jakąkolwiek funkcję.

Te enzymy, nazywane extremozymami, stały się fundamentem wielu technologii. Słynny test PCR, znany masowo z pandemii, bazuje na enzymie pozyskanym z bakterii odkrytej w gorących źródłach Yellowstone. Bez odporności tego białka na wysoką temperaturę taka metoda diagnostyczna wyglądałaby zupełnie inaczej.

Od pralki po biopaliwo: mikroby w naszym codziennym życiu

Ekstremofile kojarzą się z odległymi gejzerami i kominami hydrotermalnymi, tymczasem część ich „supermocy” dawno trafiła do domów. Producenci detergentów wykorzystują stabilne enzymy pochodzące z takich mikroorganizmów, aby proszek do prania działał skutecznie nawet w niskiej temperaturze.

W laboratoriach bada się także gatunki, które świetnie radzą sobie z trudnymi odpadami. Niektóre ekstremofile wykorzystuje się do rozkładu opornych resztek rolniczych na składniki, z których da się wytworzyć biopaliwa. W ten sposób coś, co normalnie trafiałoby na wysypisko lub do spalarni, zamienia się w dodatkowe źródło energii.

Część mikroorganizmów z warunków ekstremalnych potrafi „złapać” metale ciężkie, takie jak rtęć, i pomaga w oczyszczaniu skażonych gleb.

Takie biologiczne sprzątanie terenu określa się jako bioremediację. Zamiast kosztownego wykopywania i składowania skażonego gruntu, naukowcy wprowadzają zestawy bakterii, które wiążą toksyczne substancje lub przekształcają je w mniej groźne związki. Dzięki temu zanieczyszczone obszary szybciej nadają się do ponownego wykorzystania.

Jak ujarzmić mikroby, które lubią skrajność

Choć brzmi to obiecująco, praca z ekstremofilami nie jest prosta. Wiele z nich potrzebuje ciśnień głębin oceanicznych, bardzo wysokiej temperatury lub ekstremalnego zasolenia, by w ogóle rosnąć. Odtworzenie takich warunków w laboratorium wymaga skomplikowanej aparatury, a czasami jest wręcz niewykonalne.

Dlatego coraz większą rolę odgrywa biologia syntetyczna i modelowanie komputerowe. Naukowcy korzystają z tzw. modeli metabolicznych skali genomu (GEM), aby „wirtualnie” sprawdzić, jak działają szlaki biochemiczne w tych organizmach. Symulacje pokazują, które geny odpowiadają za najciekawsze cechy: odporność na temperaturę, radiację czy zasolenie.

Na tej podstawie badacze sięgają po narzędzia edycji genów, takie jak CRISPR. Zamiast przenosić całe wymagające mikroby, można wybrać kluczowe fragmenty ich DNA i wprowadzić je do łatwiejszych w hodowli gatunków, np. standardowych bakterii stosowanych w przemyśle.

Tak powstają „mikrofabryki” – zmodyfikowane mikroorganizmy, które produkują leki, nowe materiały czy biopaliwa, zużywając przy tym mniej energii i generując mniej odpadów.

Według autorów badań takie połączenie programowania komputerowego, inżynierii genetycznej i klasycznej mikrobiologii może wyraźnie ograniczyć ślad środowiskowy produkcji przemysłowej. Dla firm oznacza to mniejsze koszty energii i surowców, a dla środowiska – mniej emisji i toksycznych odpadów.

Mars, Europa i inne lodowe światy: czego szukają astrobiolodzy

Ekstremofile to nie tylko narzędzie dla przemysłu. Astrobiolodzy patrzą na nie jak na instrukcję obsługi życia w miejscach, które dotąd uznawano za martwe. Skoro na Ziemi mikroby radzą sobie w temperaturach bliskich zera absolutnego, w silnie zasolonej wodzie czy w niemal kompletnym braku światła, to podobne formy mogą istnieć również gdzie indziej.

Warunki panujące w niektórych rejonach Ziemi przypominają to, czego spodziewamy się na Marsie czy na księżycu Europa. Gorące źródła i głębokie kominy hydrotermalne mogą być dobrym modelem dla podpowierzchniowych oceanów na lodowych księżycach. Z kolei suche pustynie i słone równiny solne przypominają marsjańskie krajobrazy.

Badacze analizują, jak komórki ekstremofili chronią swój materiał genetyczny przed mrozem, gorącem czy promieniowaniem. To pomaga określić, jakich „podpisów” biologicznych szukać w próbkach z innych planet. Chodzi np. o charakterystyczne cząsteczki organiczne, nietypowe stosunki izotopów pierwiastków albo struktury przypominające biofilmy.

Jeśli bakteria potrafi rosnąć w ciemnej, gorącej szczelinie oceanicznej, bez dostępu światła słonecznego, to szansa rośnie, że w głębokich wodach pod lodem Europy też coś może się rozwijać.

Czego mogą nauczyć nas ekstremofile przy projektowaniu misji kosmicznych

Wiedza o granicach życia na Ziemi wpływa na projektowanie instrumentów badawczych wysyłanych w kosmos. Kamery i spektrometry na łazikach czy sondach muszą być wrażliwe na bardzo subtelne ślady chemiczne, które kojarzą się z metabolizmem ekstremofili.

• Planowanie miejsc lądowań misji kieruje się analogiami do ziemskich ekosystemów ekstremalnych.
• Dobór czujników uwzględnia możliwość istnienia mikroorganizmów w lodzie, soli lub pod powierzchnią gruntu.
• Protokoły sterylizacji sprzętu muszą być ostrzejsze, bo nie można „zawieźć” ze sobą ziemskich mikrobów.

Co ciekawe, te same bakterie, które pomagają nam przygotować poszukiwania w innych częściach kosmosu, stanowią też zagrożenie dla „czystości” badań. Ich odporność jest tak wysoka, że dokładne usunięcie ich z powierzchni sondy czy łazika to niemałe wyzwanie. Inaczej ryzykujemy, że w próbkach z Marsa znajdziemy… życie, które przywieźliśmy tam sami.

Szanse, ryzyka i pytania na przyszłość

Ekstremofile otwierają bardzo praktyczne możliwości. Można je traktować jak naturalne narzędzia do redukcji odpadów, tworzenia bardziej ekologicznych technologii i wydajniejszej produkcji leków czy materiałów. Z drugiej strony duża część rozwiązań bazuje na inżynierii genetycznej, co rodzi pytania o bezpieczeństwo i nadzór.

Naukowcy podkreślają, że projektowane mikroby zwykle nie przetrwają poza przewidzianym środowiskiem, np. w bioreaktorze. Mimo to konieczne są jasne regulacje i testy, by nie wprowadzić do obiegu organizmów, które wymkną się spod kontroli. Podobne dylematy pojawiają się przy planowaniu misji kosmicznych, gdzie skrajnie odporne mikroorganizmy traktuje się jednocześnie jako narzędzie i potencjalne zanieczyszczenie.

Dla przeciętnego odbiorcy pojęcia typu „ekstremofil” czy „extremozyma” brzmią obco, ale stoją za nimi bardzo namacalne zastosowania. W praniu w niższej temperaturze kryje się realna oszczędność energii. W biopaliwach z odpadów – sposób na zmniejszenie emisji. W sondzie badającej lodową skorupę Europy – szansa, że odpowiedź na pytanie, czy w kosmosie jesteśmy sami, przyniosą nie imponujące teleskopy, lecz niewielkie komórki, które od milionów lat uczą się przeżyć tam, gdzie wszystko inne się poddaje.