Mikroby z Ziemi mogą wskazać życie na Marsie i dalej

Najdziwniejsze mikroby naszej planety przestają być ciekawostką z laboratoriów.

Naukowcy traktują je jak kompas w poszukiwaniu życia poza Ziemią.

Te organizmy, żyjące w warunkach, które dla człowieka oznaczałyby natychmiastową śmierć, pomagają już przemysłowi i ekologii. Teraz badacze chcą wykorzystać ich niezwykłe zdolności, aby lepiej zaplanować misje kosmiczne i zrozumieć, gdzie w kosmosie może czaić się obca biologia.

Organizmy z piekła rodem, które czują się jak w domu

Mikroorganizmy nazywane ekstremofilami żyją tam, gdzie praktycznie nic innego nie daje rady. W kwaśnych jeziorach, w wodzie prawie gotującej się, w lodzie mającym dziesiątki tysięcy lat, w ciśnieniu głębin oceanicznych, a nawet pod potężnym bombardowaniem promieniowaniem.

Dla człowieka takie miejsca są skrajnie wrogie. Dla tych mikrobów – to po prostu środowisko życia. Wykształciły one unikalne mechanizmy ochrony komórek i DNA, a ich białka, nazywane ekstremozymami, zachowują aktywność tam, gdzie zwykłe enzymy dawno by się rozpadły.

Mikroby z gorących źródeł, lodowców i słonych pustyń stały się żywym modelem tego, co biologia potrafi wytrzymać – od skrajnej temperatury, przez brak tlenu, po ekstremalne zasolenie.

Przykład z życia codziennego: test PCR, który wiele osób kojarzy z pandemią, opiera się na enzymie wyizolowanym pierwotnie z bakterii żyjącej w gorących źródłach w Yellowstone. Gdyby nie ten mikrob, rutynowe badania genetyczne byłyby dużo trudniejsze i droższe.

Jak ekstremofile już dziś pomagają Ziemi

Choć brzmią jak temat z filmów science fiction, te organizmy wpływają na nasze życie bardziej, niż się wydaje. Naukowcy i firmy wykorzystują ich odporność w przemyśle, rolnictwie i ochronie środowiska.

• Pranie w niskiej temperaturze – enzymy pozyskiwane z ekstremofili trafiają do proszków i płynów do prania, pozwalając skutecznie usuwać plamy w chłodnej wodzie, co obniża zużycie energii.
• Biopaliwa – specjalne mikroby pomagają rozkładać twarde odpady rolnicze, takie jak słoma czy resztki roślin, zamieniając je w paliwa o mniejszym śladzie węglowym.
• Biologiczne oczyszczanie gleb – niektóre gatunki potrafią wiązać lub neutralizować metale ciężkie, na przykład rtęć, dając szansę na przywrócenie życia zdegradowanym terenom przemysłowym.

Z punktu widzenia biznesu ich największą zaletą jest stabilność. Enzym, który działa w 90 stopniach Celsjusza albo w bardzo słonej wodzie, świetnie sprawdza się w trudnych procesach technologicznych. Przemysł chemiczny, farmaceutyczny czy spożywczy coraz chętniej zamienia drogie i energochłonne metody na tzw. bioprocesy oparte na takich mikroorganizmach.

Inżynieria genetyczna i modele komputerowe w roli lupa

Problem w tym, że wiele ekstremofili nie daje się łatwo hodować w klasycznych laboratoriach. Część z nich potrzebuje potężnego ciśnienia, inni mieszkańcy głębin dobrze funkcjonują tylko przy braku tlenu, inne znów wymagają bardzo specyficznej mieszanki soli i minerałów.

Dlatego naukowcy coraz częściej korzystają z dwóch narzędzi naraz: modeli komputerowych metabolizmu oraz inżynierii genetycznej.

Połączenie biologii syntetycznej z symulacjami na poziomie całego genomu pozwala przewidywać, jakie zmiany w DNA wzmocnią pożądane cechy i zmienią mikrob w mikrofabrykę konkretnego produktu.

Modele GEM (genome-scale metabolic models) opisują, jak w komórce przepływa energia i materia. Dzięki nim można zasymulować, co się stanie, gdy wyłączy się dany gen, wprowadzi nowy albo zmieni warunki otoczenia. To swego rodzaju cyfrowy plac zabaw, który oszczędza setki nieudanych eksperymentów przy prawdziwej kolbie.

Następnie do gry wchodzi CRISPR i inne narzędzia edycji genów. Z ich pomocą badacze przenoszą wybrane cechy do łatwiej hodowanych bakterii albo modyfikują samych ekstremofili. Rezultat to szczepy wyspecjalizowane w produkcji:

• nowych antybiotyków i leków,
• bioplastików, które szybciej się rozkładają,
• enzymów przydatnych w przemyśle spożywczym i tekstylnym,
• związków chemicznych zastępujących tradycyjne produkty ropopochodne.

Mikroby jako drogowskaz dla misji kosmicznych

Najbardziej intrygująca część badań dotyczy tego, jak ekstremofile mogą pomóc w szukaniu życia poza Ziemią. Astrobiolodzy zakładają, że jeśli jakaś forma biologii istnieje w innych zakątkach Układu Słonecznego, raczej nie przypomina zielonego ludzika, ale prostą komórkę zdolną przetrwać w ekstremalnych warunkach.

W tym miejscu doświadczenia z mikrobami z Ziemi okazują się bezcenne. Gorące źródła przypominają potencjalne dawne środowiska na Marsie. Lodowe pokrywy i zasolone jeziora pod lodem są pewną analogią do tego, co może kryć się pod skorupą Europy – lodowego księżyca Jowisza – czy Enceladusa, księżyca Saturna.

Analiza tego, jak komórki ekstremofili chronią swoje DNA przed mrozem, wysoką temperaturą czy silnym promieniowaniem, pomaga zdefiniować tzw. biosygnatury, czyli ślady, których teleskopy, łaziki i sondy powinny szukać w próbkach z innych planet i księżyców.

Czego szukają instrumenty na Marsie i księżycach lodowych

W praktyce nie chodzi od razu o znalezienie żywej bakterii pod mikroskopem. Sprzęt na pokładzie misji kosmicznych celuje w bardziej subtelne wskaźniki. Mogą to być:

• nietypowe proporcje izotopów pierwiastków, sugerujące procesy biologiczne,
• związki organiczne charakterystyczne dla metabolizmu komórek,
• tekstury w skałach przypominające struktury tworzone przez kolonie mikrobów,
• wzorce chemiczne, które na Ziemi powstają głównie dzięki bakteriom.

Badanie ekstremofili pozwala sprawdzić, jak takie sygnały wyglądają w praktyce i jak długo mogą się utrzymać. Dzięki temu naukowcy lepiej projektują instrumenty pomiarowe i dobierają miejsca lądowania sond, aby zwiększyć szansę na natrafienie na coś interesującego.

Życie jako proces, nie miejsce

Historia tych mikrobów zmienia też sposób myślenia o tym, czym w ogóle jest życie. Przez długi czas wyobrażano je sobie jako delikatny układ wymagający wąskiego zakresu temperatury, obecności tlenu i komfortowego ciśnienia. Ekstremofile pokazują, że biologia potrafi się dostosować do bardzo wielu scenariuszy, o ile tylko dysponuje źródłem energii i podstawowymi składnikami chemicznymi.

Wnioski z badań sugerują, że pytanie nie brzmi już „czy gdzieś istnieje życie”, lecz raczej „gdzie ekstremalne warunki stały się dla niego bodźcem do przystosowania”.

Dla części czytelników może to brzmieć abstrakcyjnie, ale konsekwencje są dość konkretne. Trwa dyskusja, jak zabezpieczać misje kosmiczne przed przypadkowym zawleczeniem naszych mikrobów na inne planety. Skoro niektóre bakterie wytrzymują próżnię i promieniowanie, trzeba bardzo uważnie sterylizować sondy, aby nie pomylić obcego życia z własnymi pasażerami na gapę.

Coraz częściej pojawia się też wątek wykorzystania ekstremofili jako sojuszników w przyszłych bazach księżycowych czy marsjańskich. Mikroby mogłyby pomagać w odzyskiwaniu wody, recyklingu odpadów, a nawet wytwarzaniu tlenu i prostych materiałów budowlanych. Zanim jednak trafią na inne ciała niebieskie, musimy lepiej zrozumieć ich wpływ na zamknięte ekosystemy i ryzyko niekontrolowanego rozprzestrzenienia.

Dla Ziemi badania nad tymi organizmami oznaczają jeszcze jedno: im lepiej poznamy strategie przetrwania w warunkach skrajnych, tym łatwiej będzie ocenić granice odporności naszych własnych ekosystemów. W czasach zmian klimatu, zanieczyszczeń i nowych technologii taka wiedza może okazać się cenniejsza, niż się dziś wydaje.