Mikroby z ekstremów Ziemi mogą wskazać życie na innych planetach

Czy garść ziemi z wulkanu lub grudka lodu z arktycznego jeziora może podpowiedzieć, gdzie szukać życia poza Ziemią?

Naukowcy coraz uważniej przyglądają się mikrobom żyjącym w najbardziej skrajnych warunkach na naszej planecie. Z ich badań wynika, że takie organizmy nie tylko pomagają w walce z kryzysem klimatycznym, ale też podpowiadają, jakich śladów życia szukać na Marsie czy księżycach gazowych gigantów.

Mikroby, które przeżyją tam, gdzie inne formy życia się poddają

Wyobraźmy sobie organizm, który pływa w niemal czystym kwasie, znosi dawki promieniowania zabójcze dla człowieka i czuje się dobrze w wodzie tak gorącej, że normalnie gotowałaby makaron. Tak żyją ekstremofile – mikroorganizmy wyspecjalizowane w przetrwaniu w warunkach, które wydają się całkowicie nieprzyjazne.

Spotkamy je w kominach hydrotermalnych na dnie oceanów, w gorących źródłach, w silnie zasolonych jeziorach, w głębokich warstwach skorupy ziemskiej, a nawet w lodzie liczącym tysiące lat. Przez lata postrzegano je jak ciekawostkę z marginesu biologii. Teraz badacze widzą w nich narzędzie do zmiany energetyki, przemysłu, a także sposób na lepsze planowanie misji kosmicznych.

Ekstremofile pokazują, że granice życia są znacznie dalej, niż uczono w podręcznikach – to zupełnie zmienia kryteria poszukiwań śladów biologii poza Ziemią.

Ekstremozymy – molekularne „kombinerki” z planety Ziemia

Kluczem do zdumiewającej odporności tych mikrobów są specjalne enzymy, nazywane ekstremozymami. To białka, które nadal działają sprawnie w temperaturach, zasoleniu, kwasowości czy ciśnieniu, przy których zwykłe enzymy rozpadają się lub tracą kształt.

Dobry przykład zna każdy, kto w czasie pandemii zrobił test PCR. Ta technika działa dzięki enzymowi wyizolowanemu z bakterii z gorących źródeł w Parku Narodowym Yellowstone. Klasyczna polimeraza DNA nie przetrwałaby setek cykli ogrzewania i chłodzenia w aparacie PCR. Enzym z mikroba przyzwyczajonego do wrzątku radzi sobie z tym bez problemu.

Od pralki po rafinerię biologiczną

Ekstremozymy od dawna weszły też do zwykłych domów i fabryk, choć większość ludzi nie zdaje sobie z tego sprawy. Ich zastosowania są zaskakująco różnorodne:

• detergenty do prania działające skutecznie w niskich temperaturach, co obniża zużycie energii,
• enzymy rozkładające twarde resztki roślinne na surowiec do produkcji biopaliw,
• mikroorganizmy wiążące lub przekształcające toksyczne metale ciężkie w mniej groźne formy, co ułatwia oczyszczanie skażonej ziemi,
• procesy powstawania tworzyw biodegradowalnych bardziej odpornych, ale nadal podatnych na rozkład.

W efekcie małe komórki z ekstremów Ziemi zamieniają się w żywe reaktory chemiczne. Można je wykorzystywać tam, gdzie klasyczne procesy przemysłowe wymagają agresywnej chemii i dużych nakładów energii.

Inżynieria genetyczna i symulacje komputerowe: jak „oswoić” ekstremofile

Badanie takich organizmów w naturalnym środowisku bywa kłopotliwe. Część z nich potrzebuje gigantycznego ciśnienia, inne kombinacji temperatury i soli trudnej do odtworzenia w zwykłym laboratorium. Zamiast stawiać kolejne komory wysokociśnieniowe, naukowcy korzystają z dwóch narzędzi: biologia syntetyczna i zaawansowane modele komputerowe.

Modele metaboliczne w skali całego genomu pozwalają symulować, jak mikrob wykorzystuje energię, jakie substancje produkuje i które geny odpowiadają za odporność na dane warunki. Na tej podstawie można projektować zmiany genetyczne, jeszcze zanim ktoś spróbuje je wprowadzić do prawdziwej komórki.

Do edycji materiału genetycznego służą techniki takie jak CRISPR. Dają one możliwość „podkręcenia” istniejących cech – na przykład zwiększenia tolerancji na toksyny – albo przeniesienia przydatnych genów do łatwiejszych w hodowli gatunków bakterii.

Połączenie biotechnologii z symulacjami komputerowymi tworzy mikroskopijne fabryki: mikroby produkują leki, biopaliwa lub materiały przy ograniczonym zużyciu energii i mniejszej ilości odpadów.

Co już dziś powstaje dzięki takim mikroorganizmom

Mars, Europa i dalej: gdzie mikroby z Ziemi podpowiadają szukać życia

Najbardziej intrygujący wniosek płynący z badań ekstremofili dotyczy kosmosu. Jeśli na Ziemi bakteria potrafi przetrwać w słonej, lodowatej wodzie bez światła, to podobna fizyka i chemia może sprzyjać prostym formom życia także w innych miejscach Układu Słonecznego.

Astrobiolodzy traktują gorące źródła, słone jeziora czy podlodowe zbiorniki jako modele środowisk takich jak powierzchnia Marsa, lodowa skorupa Europy (księżyca Jowisza) czy podpowierzchniowe oceany Enceladusa, należącego do Saturna. Analiza, jak mikroby chronią swoje DNA przed promieniowaniem, mrozem lub wysoką temperaturą, wskazuje, jakich cząsteczek szukać w próbkach z tych miejsc.

Im lepiej rozumiemy, jak daleko sięga elastyczność ziemskiej biologii, tym dokładniej możemy ustalić, które sygnały chemiczne będą obiecujące na innych planetach i księżycach.

Jak badania ekstremofili zmieniają projektowanie misji kosmicznych

W praktyce wpływa to na bardzo konkretne decyzje dotyczące sond i łazików. Naukowcy dopracowują listę wskaźników, które instrumenty pomiarowe mają wychwycić w próbkach skał, lodu czy pary wodnej.

• wzorce węgla i innych pierwiastków typowe dla procesów biologicznych,
• złożone cząsteczki organiczne podobne do tych, których używają ziemskie komórki,
• produkty uboczne metabolizmu, takie jak określone gazy w atmosferze,
• ślady struktur przypominających biofilmy tworzone przez bakterie.

Misje polegające na pobraniu próbek z Marsa czy lodowych księżyców coraz częściej projektuje się tak, aby badały miejsca, które na podstawie doświadczeń z ekstremofilami wydają się najbardziej obiecujące – dawne delty rzek, podlodowe oceany, głębokie szczeliny w lodzie.

Ryzyka, granice i pytania etyczne

Wykorzystanie ekstremalnie odpornych organizmów wiąże się też z trudnymi pytaniami. Mikroby modyfikowane genetycznie i przyzwyczajone do przetrwania w trudnych warunkach mogą w teorii wymknąć się spod kontroli. Dlatego laboratoria działające z takimi organizmami stosują restrykcyjne procedury bezpieczeństwa, a część projektów podlega ocenie komisji bioetycznych.

Dochodzi do tego kwestia „zanieczyszczenia” innych planet naszą biologią. Jeśli sonda zawierająca nawet niewielką liczbę odpornych zarodników trafi na księżyc z wodą pod powierzchnią, trudno potem odróżnić, czy znaleziony ślad jest rodzimy, czy pochodzi z Ziemi. Firmy i agencje kosmiczne muszą więc coraz poważniej traktować rygorystyczne procedury sterylizacji sprzętu.

Dlaczego mikroby z ekstremów będą coraz częściej na czołówkach

Mimo zastrzeżeń naukowcy są zgodni: mikroorganizmy z najtrudniejszych zakątków Ziemi to jedno z najciekawszych narzędzi w walce z kryzysem klimatycznym i w planowaniu przyszłych misji międzyplanetarnych. Ich enzymy już teraz ograniczają zużycie energii w przemyśle i pomagają usuwać zanieczyszczenia. Równocześnie te same badania wyznaczają nowe kryteria szukania biologii poza naszą planetą.

Dla laików może to brzmieć abstrakcyjnie, ale przykład z testami PCR pokazuje, jak szybko niszowe odkrycia z gorących źródeł potrafią trafić do życia codziennego. Niewykluczone, że za kilka lat paliwo w baku, część tworzyw w ubraniach oraz dane z sond orbitujących wokół odległych księżyców będą miały wspólny mianownik: mikroba, który nauczył się żyć tam, gdzie „nie da się żyć”.