Mikroby z Ziemi mogą stać się naszym kompasem w poszukiwaniu życia w kosmosie

Naukowcy coraz uważniej przyglądają się mikroorganizmom, które żyją tam, gdzie człowiek nie przetrwałby nawet chwili – w wrzącej wodzie, w lodzie mającym tysiące lat czy w skażonych metalami ciężkimi glebach. Okazuje się, że te niezwykle odporne istoty nie tylko pomagają nam ograniczać szkody środowiskowe, ale także podpowiadają, jak i gdzie szukać śladów życia na innych planetach i księżycach.

Mikroorganizmy, które nie boją się wrzątku, kwasu i promieniowania

Ekstremofile – bo tak nazywamy mikroby zdolne do życia w warunkach skrajnych – jeszcze niedawno uchodziły za ciekawostkę z marginesu biologii. Dziś stają się gwiazdami laboratoriów i przemysłu. Żyją w miejscach, które kojarzą się raczej z filmem katastroficznym niż z ekosystemem: w jeziorach o pH zbliżonym do kwasu, przy kominach hydrotermalnych na dnie oceanów, w skałach otulonych lodem, a nawet w silnie napromieniowanych strefach.

Przez miliony lat wykształciły arsenał mechanizmów obronnych, które robią wrażenie nawet na doświadczonych biologach. Ich białka i błony komórkowe nie rozrywają się w wysokiej temperaturze, DNA nie rozsypuje się pod naporem promieniowania, a enzymy nadal działają tam, gdzie zwykłe cząsteczki dawno uległyby rozpadowi.

Mikroby z ekstremalnych środowisk wytwarzają tzw. ekstremozymy – enzymy, które pozostają stabilne i aktywne przy temperaturze, zasoleniu czy poziomie promieniowania zabójczym dla typowych organizmów.

Dobrym przykładem jest polimeraza DNA wykorzystywana w testach PCR. Jej pierwowzór poznano w bakterii z gorących źródeł w Yellowstone. To właśnie odporność tego białka na wysoką temperaturę umożliwiła masowe stosowanie PCR w diagnostyce, w tym w czasie pandemii.

Od pralki po skażone gleby: gdzie już działają ekstremofile

Choć brzmią jak egzotyczne twory, ekstremofile od dawna pracują w naszej codzienności. Ich enzymy dodaje się do detergentów, żeby pranie skutecznie dopierało plamy w niższej temperaturze. Dzięki temu zużywamy mniej energii, a rachunki za prąd spadają.

Inne mikroby z tej grupy pomagają rozkładać twarde odpady rolnicze i zamieniać je w biopaliwa. Radzą sobie z ligniną i celulozą, które zazwyczaj są bardzo odporne na degradację. Jeszcze inna grupa mikroorganizmów wiąże lub rozkłada toksyczne związki metali ciężkich, takie jak rtęć czy kadm, stopniowo oczyszczając skażone grunty.

Ten zestaw „supermocy” sprawia, że ekstremofile stają się naturalnym narzędziem do łagodzenia części problemów środowiskowych. Zamiast budować coraz bardziej skomplikowane instalacje oczyszczające, można w niektórych przypadkach postawić na kontrolowaną aktywność mikroorganizmów.

Jak naukowcy „oswajają” mikroby z piekła rodem

Praca z ekstremofilami nie jest jednak prosta. Wyobraźmy sobie bakterię, która czuje się dobrze przy temperaturze 90 stopni, w zasoleniu większym niż w Morzu Martwym, pod ciśnieniem występującym kilka kilometrów pod powierzchnią oceanu. Odwzorowanie takich warunków w laboratorium wymagałoby specjalistycznej aparatury i olbrzymich nakładów.

Dlatego badacze coraz częściej sięgają po biologię syntetyczną i modelowanie komputerowe. Tworzą tzw. modele metaboliczne całych genomów, które pozwalają przewidywać, jak mikroorganizm reaguje na zmiany otoczenia, jakie szlaki metaboliczne są dla niego kluczowe i które geny można zmodyfikować, żeby wzmocnić pożądane cechy.

Nowoczesna inżynieria genetyczna sprawia, że mikroby stają się miniaturowymi fabrykami produkującymi leki, materiały i związki chemiczne w sposób tańszy i mniej obciążający środowisko.

W praktyce wygląda to często tak:

• naukowcy analizują genom ekstremofila i identyfikują geny odpowiedzialne za odporność na temperaturę, promieniowanie czy zasolenie,
• w modelu komputerowym symulują wpływ wprowadzenia tych genów do łatwiej hodowalnej bakterii laboratoryjnej,
• korzystając z narzędzi takich jak CRISPR, przenoszą wybrane fragmenty DNA,
• sprawdzają, jak zmodyfikowana bakteria radzi sobie w warunkach docelowego procesu przemysłowego.

Efektem są szczepy, które mogą wytwarzać np. nowe rodzaje antybiotyków, biodegradowalne tworzywa czy precyzyjne katalizatory chemiczne. Cały proces wymaga testów bezpieczeństwa i kontroli, ale potencjał jest duży, bo łączy zalety „dzikiej” odporności ekstremofili z łatwością hodowli organizmów modelowych.

Ekstremofile jako wskazówka, gdzie szukać życia w kosmosie

Najciekawsza dla wyobraźni część badań dotyczy pytania, czy takie organizmy mogłyby istnieć na innych planetach. Im więcej przykładów życia w skrajnych warunkach widzimy na Ziemi, tym trudniej bronić tezy, że obecność ciekłej wody w łagodnym klimacie jest jedynym scenariuszem. Astrobiolodzy coraz śmielej patrzą na Marsa, lodowe księżyce Jowisza i Saturna oraz egzoplanety, których parametry odbiegają od ziemskich.

Mars ma za sobą okres obfitszej wody i gęstszej atmosfery, dziś kojarzy się raczej z suchą, mocno napromieniowaną pustynią. Mimo to wysokie stężenie soli, możliwa obecność lodu pod powierzchnią i ślady dawnych cieków wodnych sprawiają, że niektórzy porównują jego środowisko do ziemskich solanek czy pustyń wysokogórskich, gdzie ekstremofile radzą sobie całkiem dobrze.

Z kolei Europa, jedna z księżyców Jowisza, według wielu modeli skrywa pod lodową skorupą ocean ciekłej wody. Gdy na dnie takiego oceanu istnieją kominy hydrotermalne, powstają warunki zbliżone do tych, w których na Ziemi bujnie rozwijają się mikroorganizmy niepotrzebujące światła słonecznego, żywiące się energią chemiczną.

Jeśli na Ziemi bakteria może rosnąć w ciemnym, gorącym źródle wzbogaconym w siarczki, to podobne środowiska poza naszą planetą przestają być „z definicji martwe” i trafiają na listę miejsc, które misje kosmiczne badają najdokładniej.

Jakie ślady życia są realne do wykrycia?

Nie chodzi tylko o sfotografowanie „kosmicznego mikroba”. Znacznie bardziej prawdopodobne jest wykrywanie subtelnych sygnałów pośrednich, tzw. biosygnatur. To mogą być:

• charakterystyczne proporcje izotopów węgla lub siarki,
• konkretne cząsteczki organiczne, które rzadko powstają w procesach czysto chemicznych,
• nietypowe zmiany składu atmosfery planety, sugerujące aktywność biologiczną,
• ślady biofilmu lub struktur powiązanych z koloniami mikrobów w skałach osadowych.

Badania ekstremofili pozwalają lepiej ocenić, co jest wiarygodnym sygnałem aktywności biologicznej, a co można wyjaśnić reakcjami fizykochemicznymi. Dzięki temu projektanci instrumentów na łazikach marsjańskich czy sondach badających lodowe księżyce mogą precyzyjniej dobrać zakres pomiarów.

Czego uczą nas ekstremofile o samej definicji życia

Historia ekstremofili podważa wiele intuicji. Przez długi czas zakładano, że życie ma wąski zakres tolerancji – lekkie odchylenie temperatury, pH czy promieniowania i wszystko się rozpada. Dzisiaj wiemy, że część mikroorganizmów aktywnie rozwija się w temperaturach powyżej 100 stopni w obecności wysokiego ciśnienia, inne trwają w stanie uśpienia miliony lat w lodzie, a kolejne spokojnie „oddychają” związkami trującymi dla człowieka.

To zmusza naukę do poszerzenia definicji tego, co uznajemy za ożywione. Gdy dodamy do tego możliwość istnienia form bazujących na innych rozpuszczalnikach niż woda czy działających w odmiennych skalach czasowych, robi się jeszcze ciekawiej. Ekstremofile stanowią więc poligon, na którym testujemy granice naszej wyobraźni i narzędzi badawczych.

Dla zwykłego odbiorcy praktyczne skutki tych prac są dwojakie. Z jednej strony korzystamy z cichych bohaterów pracujących w pralkach, oczyszczalniach i fabrykach biopaliw. Z drugiej – każda nowa misja kosmiczna, która wraca z danymi o lodzie, minerałach czy gazach na odległych ciałach niebieskich, jest interpretowana właśnie przez pryzmat tego, czego naukowcy nauczyli się od ekstremofilów. Mikroorganizmy z najbardziej nieprzyjaznych zakątków naszej planety stają się więc nieoczekiwanym przewodnikiem w poszukiwaniach śladów życia daleko poza Ziemią.