Mikroby z Ziemi mogą zdradzić, czy życie istnieje na innych planetach

Badacze przyglądają się dziś nie teleskopom, lecz mikroskopijnym organizmom żyjącym w najbardziej nieprzyjaznych zakątkach naszej planety. To one zaczynają wyznaczać nowe kierunki w astrobiologii i podpowiadają, czego szukać na Marsie czy lodowych księżycach.

Mikroby, które czują się świetnie tam, gdzie wszystko inne ginie

Na naszej planecie istnieją organizmy, które potrafią pływać w kwasie, znoszą dawki promieniowania śmiertelne dla człowieka i nie rozpadają się w temperaturach, przy których większość białek zwyczajnie się ścina. To tzw. ekstremofile – mikroby wyspecjalizowane w życiu na granicy tego, co biologicznie możliwe.

Przez lata uchodziły za ciekawostkę – żyją w kominach hydrotermalnych na dnie oceanów, w gorących źródłach, w lodowcach, w silnie zasolonych jeziorach czy w skałach kilka kilometrów pod powierzchnią. Teraz stają się bohaterami bardzo poważnych badań. Zespół naukowców, którego wyniki opisano w czasopiśmie „Frontiers in Microbiology”, pokazuje, że te organizmy mogą równocześnie pomóc w ochronie ziemskiej biosfery i w poszukiwaniach życia poza naszą planetą.

Ekstremofile tworzą wyspecjalizowane enzymy, które nie rozpadają się tam, gdzie zwykłe białka dawno by się zniszczyły. To naturalne „narzędzia” przystosowane do temperatur, ciśnień i chemii środowisk skrajnych.

Naukowcy nazywają je ekstremozymami. To właśnie dzięki jednemu z takich enzymów, odpornej na wysoką temperaturę polimerazie DNA z bakterii z gorących źródeł Yellowstone, możliwy jest powszechny dziś test PCR. Ta sama zasada – niezwykła stabilność w nietypowych warunkach – sprawia, że mikroby ekstremalne idealnie nadają się do zastosowań przemysłowych i środowiskowych.

Od proszku do prania po biopaliwo i oczyszczanie gleby

Choć brzmi to jak science fiction, ślady tej „mikroarmii” mamy w domach. Enzymy pochodzące z ekstremofili wspierają działanie detergentów, pozwalając skutecznie prać w niższych temperaturach. To oznacza mniejsze zużycie energii i niższe rachunki, ale też redukcję emisji dwutlenku węgla.

Inne szczepy mikroorganizmów świetnie radzą sobie z rozkładem twardych resztek roślinnych. Dzięki temu proces przekształcania odpadów rolniczych w biopaliwa staje się łatwiejszy i tańszy. Zamiast spalać słomę czy inne pozostałości, można wyprodukować z nich paliwa ciekłe o znacznie mniejszym śladzie węglowym.

Szczególne wrażenie robią jednak mikroby, które w warunkach laboratoryjnych i terenowych potrafią wiązać oraz przekształcać metale ciężkie. Chodzi między innymi o:

• rtęć – skrajnie toksyczną, zalegającą w glebach i osadach dennych,
• kadm i ołów – groźne dla układu nerwowego i krwiotwórczego,
• chrom i nikiel – często obecne w odpadach przemysłowych.

Takie zdolności wykorzystuje się w bioremediacji, czyli oczyszczaniu skażonych terenów z użyciem żywych organizmów zamiast ciężkiej chemii. Zamiast wywozić tysiące ton gleby na specjalne składowiska, można w kontrolowany sposób „nakarmić” ją odpowiednio dobranymi bakteriami i grzybami.

Inżynieria genetyczna: jak ujarzmić mikroby z piekła rodem

Jest jeden zasadniczy problem: wiele ekstremofili nie da się łatwo hodować w standardowym laboratorium. Organizmy przyzwyczajone do ciśnienia panującego kilka kilometrów pod wodą czy do silnych kwasów po prostu „nie odnajdują się” w kolbach stojących na blacie.

Dlatego badacze coraz częściej sięgają po narzędzia biologii syntetycznej i modelowania komputerowego. Zamiast odtwarzać fizycznie warunki z dna oceanu, tworzą dokładne modele metaboliczne całych komórek, tak zwane GEM (genome-scale metabolic models).

Symulacje GEM pozwalają sprawdzić, jak mikroorganizm zareaguje na zmianę genu czy składu pożywki, zanim naukowiec wykona choć jeden rzeczywisty eksperyment.

Łącząc te modele z technikami precyzyjnej edycji genów, takimi jak CRISPR, zespoły badawcze modyfikują bakterie w bardzo celowy sposób. Można na przykład:

Efektem są „mikrofabryki”, które produkują nowe antybiotyki, biodegradowalne materiały czy precyzyjne katalizatory chemiczne. Wszystko to w warunkach bardziej przyjaznych dla środowiska niż klasyczny przemysł chemiczny.

Co mają wspólnego gorące źródła z powierzchnią Marsa?

Kluczowa część pracy zespołu dotyczy zastosowania tej wiedzy poza naszą planetą. Ekstremofile żyją m.in. w silnie zasolonych jeziorach, w głębokich jaskiniach, pod lodowcami i w fumarolach wulkanicznych. Wielu astrobiologów traktuje takie miejsca jako naturalne analogi obcych środowisk.

Mars, Europa (księżyc Jowisza) czy Enceladus (księżyc Saturna) to obiekty, gdzie występują ekstremalne warunki: niskie temperatury, wysokie promieniowanie, brak tlenu, duże zasolenie, a czasem obecność podpowierzchniowych oceanów. Brzmi znajomo? Dla wielu ziemskich ekstremofili – jak najbardziej.

Jeśli bakteria na Ziemi potrafi żyć w ciemnej, gorącej szczelinie wulkanicznej bez dostępu tlenu i światła, rośnie szansa, że gdzieś w podobnym środowisku kosmicznym też pojawiły się proste formy życia.

Badacze uczą się więc, jak wyglądają ślady, które takie organizmy zostawiają: zmiany w składzie chemicznym skał, charakterystyczne wzorce w izotopach, specyficzne cząsteczki organiczne. Na tej podstawie projektuje się instrumenty dla łazików i sond kosmicznych, a także strategie pobierania próbek.

Jak mikroby z Ziemi pomagają planować misje kosmiczne

Analiza ekstremofili wpływa na wiele etapów planowania misji:

• wybór miejsca lądowania – priorytet dostają regiony przypominające znane z Ziemi jeziora solankowe, lodowce czy obszary wulkaniczne;
• konstrukcja instrumentów – spektrometry i mikroskopy projektuje się tak, by wykrywały drobne zmiany w składzie chemicznym typowe dla aktywności mikroorganizmów;
• strategia pobierania próbek – inżynierowie planują wiercenia głębiej pod powierzchnię, gdzie skały i lód lepiej chronią ewentualne komórki przed promieniowaniem kosmicznym.

W oparciu o dane z badań nad ekstremofilami powstają także tzw. biosygnatury priorytetowe – zestaw cech, które szczególnie warto śledzić podczas przyszłych misji. Chodzi o to, by nie szukać abstrakcyjnie „życia w ogóle”, lecz bardzo konkretnych wzorców znanych z ekstremalnych ekosystemów na Ziemi.

Czego nas uczą ekstremofile o samej definicji życia

Badania tych niezwykłych drobnoustrojów prowadzą do niewygodnego pytania: czy nasze klasyczne rozumienie życia nie jest zbyt wąskie? Biologia szkolna przyzwyczaja, że organizmy potrzebują umiarkowanej temperatury, wody w stanie ciekłym i stosunkowo łagodnego otoczenia. Tymczasem kolejne odkrywane szczepy przeczą tej intuicji.

Wulkaniczne jeziora o pH porównywalnym z kwasem akumulatorowym, lodowce, gdzie woda praktycznie nie topnieje, czy solanki tak gęste, że mogłyby niszczyć większość komórek – to dla części mikroorganizmów całkiem wygodne siedliska. Oznacza to, że w Układzie Słonecznym może istnieć więcej „nisz”, w których da się prowadzić poszukiwania sygnałów biologicznych.

Ta zmiana myślenia wpływa też na projektowanie przyszłych teleskopów kosmicznych i misji badawczych poza systemem słonecznym. Szukając planet podobnych do Ziemi, naukowcy coraz częściej biorą pod uwagę szerszy zakres temperatur, składu atmosfery i geologii niż jeszcze dekadę temu.

Ekstremofile w codziennym życiu i w debacie o klimacie

Temat wydaje się kosmiczny, a bardzo mocno łączy się z problemami tu i teraz. Zmienny klimat, rosnące zanieczyszczenie powietrza i gleby oraz rosnące zapotrzebowanie na energię wymuszają nowe rozwiązania technologiczne. Mikroorganizmy, które wytrzymują temperatury i zasolenie, jakie mogą stać się powszechniejsze w nadchodzących dekadach, oferują naturalne narzędzia adaptacji.

Z ich wykorzystaniem można projektować linie produkcyjne tworzone specjalnie dla bardziej ekstremalnych warunków, na przykład dla regionów suchych, gdzie brakuje wody wysokiej jakości. Dzięki pracy w niższych temperaturach czy przy większej zmienności parametrów procesy przemysłowe stają się bardziej elastyczne.

Warto też pamiętać o ryzykach. Manipulowanie genomem ekstremofili, tworzenie hybryd o niespotykanej wcześniej odporności wymaga bardzo ostrych zasad bezpieczeństwa biologicznego. Naukowcy i regulatorzy muszą na bieżąco aktualizować przepisy, tak by innowacje nie wymknęły się spod kontroli.

Ekstremofile stają się więc czymś więcej niż egzotyczną ciekawostką z podręcznika. Łączą laboratoria zajmujące się zmianą klimatu, inżynierów opracowujących technologie kosmiczne i lekarzy, którzy szukają nowych leków. A przy okazji przypominają, że życie – także to, które być może istnieje poza Ziemią – potrafi przystosować się do warunków, które jeszcze niedawno uznawaliśmy za całkowicie martwe.