Mikroskopiske organismar redefinerer astrobiologien
Dagens forskarar er ikkje berre opptekne av teleskop – dei vender blikket mot mikroskopiske organismar som trivst i dei mest fiendtlege hjørna på kloden. Nettopp desse bakteriane peiker ut nye retningar innanfor astrobiologien og gjev hint om kva vi bør leite etter på Mars og på islagde månar.
Ekstremfile mikroorganismar overlever på stader der alt anna gjev opp. Dei kan leve i syre, toler strålingsdosar som er dødlege for menneske, og dei bryt ikkje saman ved temperaturar der dei fleste protein for lengst ville ha koagulert. Desse mikrobane lever på grensa av det biologisk moglege og er i dag i ferd med å bli avgjerande verktøy for både vitskap og industri.
Frå vitskapleg kuriøsitet til seriøst forskingsfelt
I årevis vart dei rekna som ei interessant randnode i vitskapen. Dei finst i hydrotemiske skorsteinar på havbotnen, i varme kjelder i Yellowstone, i Antarktis‘ brear, i sterkt saltede sjøar og i fjell fleire kilometer under jordoverflata. No har dei likevel blitt hovudpersonar i svært seriøse studiar.
Eit forskarlaget, der resultata vart publiserte i tidsskriftet Frontiers in Microbiology, viser at desse organismane på éin gong kan bidra til å verne biosfæren på jorda og til søkinga etter liv utanfor planeten vår.
Ekstremfilar produserer spesialiserte enzym som ikkje bryt saman der vanlege protein for lengst har mist funksjonen sin. Forskarane kallar desse ekstremoenzymar. Det var nettopp takka vere eitt slikt enzym – ein termostabil DNA-polymerase frå ein bakterie i dei varme kjeldene i Yellowstone – at den vanlege PCR-testen i det heile teke vart mogleg.
Korleis mikrobar frå helvete hjelper i vaskeria og ved produksjon av biodrivstoff
Det høyrest kanskje ut som science fiction, men spora frå denne mikrohæren finn vi faktisk i heimane våre. Enzym utvunne frå ekstremfilar aukar effektiviteten til vaskepulver og gjer det mogleg å vaske effektivt ved lågare temperaturar. Det gjev lågare energiforbruk, lågare straumrekningar og redusert CO₂-utslepp.
Andre stammar av mikroorganismar er framifrå til å bryte ned harde planterester. Det gjer prosessen med å omgjere landbruksavfall til biodrivstoff både enklare og billegare. I staden for å brenne halm eller andre restar kan ein framstille flytande drivstoff med eit markant lågare karbonfotavtrykk.
Særleg imponerande er dei mikrobane som under både laboratorie- og feltforhold kan binde og omdanne tungmetall. Det gjeld mellom anna:
- Kvikksølv – ekstremt giftig, avsett i jord og botnssediment
- Kadmium og bly – farleg for nervesystemet og blodproduksjonen
- Krom og nikkel – ofte til stades i industriavfall
- Arsen – kreftframkallande halvmetall i forureina vatn
- Koppar – skadeleg for planter og dyr ved for høge konsentrasjonar
- Sink – giftig ved langvarig eksponering for høge dosar
Desse eigenskapane vert nytta innanfor bioremiediering – det vil seie opprensking av forureina område ved hjelp av levande organismar i staden for tung kjemi. I staden for å køyre bort tusenvis av tonn jord til spesielle deponi kan ein kontrollert setje inn nøye utvalde bakteriar og sopp.
Korleis forskarar temde mikrobar ved hjelp av datamodellar og genredigering
Det er likevel eitt grunnleggjande problem: mange ekstremfilar let seg ikkje lett dyrke i eit standardlaboratorium. Organismar som er vane med trykket fleire kilometer under vatn eller med sterke syrer, trivst rett og slett ikkje i kolbar på eit laboratoriebord.
Difor grip forskarar i aukande grad til verktøy frå syntetisk biologi og datasimulering. I staden for å gjenskape forholda frå havbotnen fysisk byggjer dei presise metabolske modellar av heile celler – dei såkalla GEM (genome-scale metabolic models). GEM-simuleringar gjer det mogleg å spå korleis ein mikroorganisme reagerer på ei genetisk endring eller ei endring i næringsmediet, før forskaren utfører eit einaste verkeleg eksperiment.
Ved å kombinere desse modellane med presise genredigeringsteknikkar som CRISPR modifiserer forskarlag bakteriar på svært målretta vis. Ein kan til dømes styrkje den metabolske vegen for produksjon av ein bestemt kjemisk substans, dempe eit gen som er ansvarleg for giftstoffproduksjon, eller leggje til gen frå ein annan ekstremfil for å auke motstandsdyktigheita mot temperatur eller saltinnhald.
Resultatet er mikrofabrikkar som produserer nye antibiotika, bionedbrytbare materiale eller presise kjemiske katalysatorar – alt saman under forhold som er skånsommare for miljøet enn den klassiske kjemiske industrien. Forskarar frå University of Maryland presenterte nyleg ein modifisert stamme av Deinococcus radiodurans som kan bryte ned plastrestar sjølv ved høg stråling.
Kva varme kjelder og overflata på Mars har til felles
Ein sentral del av lagets arbeid handlar om å bruke desse innsiktene utanfor planeten vår. Ekstremfilar lever mellom anna i sterkt saltede sjøar, i djupe holer, under brear og i vulkanske fumaroler. Mange astrobiologar reknar slike stader som naturlege analogar til framande miljø i rommet.
Mars, Europa (månen til Jupiter) og Enceladus (månen til Saturn) er objekt prega av ekstreme forhold: låge temperaturar, høg stråling, fråvær av oksygen, sterk saltkonsentrasjon og tidvis tilstadeværing av underjordiske hav. Høyrest det kjent ut? For mange jordiske ekstremfilar er dette fullstendig normalt.
Dersom ein bakterie på Jorda kan leve i ei mørk, varm vulkansk sprekk utan tilgang på oksygen og lys, aukar sannsynet for at enkle livsformer også har oppstått i eit liknande kosmisk miljø. Forskarar lærer seg difor å kjenne att dei spora slike organismar etterlét: endringar i den kjemiske samansetjinga til bergartane, karakteristiske mønster i isotopane og spesifikke organiske molekyl. På dette grunnlaget vert det utvikla instrument til roverarar og romsondar, samt strategiar for prøvetaking.
NASA planlegg som ein del av oppdraget Mars Sample Return å bruke spektrometer designa nettopp ut frå innsikter frå forsking på ekstremfile koloniar i den chilenske ørkenen Atacama. Den europeiske romagenturen ESA testar boreutstyr på breen Vatnajökull på Island, der mikrobiologar har identifisert bakteriar som lever under forhold tilsvarande dei på Europas måne.
Korleis mikrobar endrar reglane for planlegging av romfartsmisjonar
Analysen av ekstremfilar påverkar mange fasar av misjonsplanlegginga. Valet av landingsplass prioriterer regionar som liknar på kjende jordiske saltsjøar, brear eller vulkanske område. Instrumenta vert konstruerte slik at spektrometer og mikroskop kan registrere små endringar i kjemisk samansetjing som er typiske for mikroorganismars aktivitet.
Strategiar for prøvetaking beveger seg i retning av djupare boringar under overflata, der bergarter og is betre skjermar eventuelle celler mot kosmisk stråling. Ingeniørar frå California Institute of Technology har designa ein robotarm som er i stand til å bore opp til tre meter under overflata på Mars – inspirert av studiet av bakteriar i djupe boringar i Grønland.
På grunnlag av data frå ekstremfilforsking oppstår det også såkalla prioriterte biosignaturar – eit sett kjenneteikn som er særleg verdifulle å overvake under framtidige misjonar. Målet er ikkje abstrakt å leite etter liv i all sin alminnelegheit, men etter svært konkrete mønster kjende frå ekstreme økosystem på Jorda. Forskarar frå University of Edinburgh har sett saman ein database med meir enn to hundre kjemiske markørar som er typiske for ekstremfile archaeas metabolisme.
Kva ekstremfilar lærer oss om moglegheitene for liv i heile universet
Forskinga på desse uvanlege mikroorganismane fører til eit ubehageleg spørsmål: er den klassiske forståinga vår av liv kanskje altfor snever? Læreboka har vant oss til at organismar krev moderate temperaturar, vatn i flytande tilstand og eit relativt mildt miljø. Nyoppdaga stammar motseier likevel denne intuisjonen.
Vulkanske sjøar med ein pH-verdi samanliknbar med syra frå eit bilbatteri, brear der vatnet knapt nokon gong smeltar, eller saltlager så tette at dei ville øydeleggje dei fleste celler – det er for visse mikroorganismar fullstendig behagelige levestader. Det tyder at det i Solsystemet kan finnast langt fleire nisjar der ein kan søkje etter biologiske signal.
Denne endringa i tenkjemåten påverkar òg designet av framtidige romteleskop og forskingsmisjonar utanfor Solsystemet. Ved søkinga etter jordliknande planetar tek forskarar i aukande grad omsyn til eit breiare spekter av temperaturar, atmosfæriske samansetjingar og geologiar enn for berre ti år sidan. James Webb Space Telescope kartlegg aktivt exoplanetarar med høge konsentrasjonar av metan og svovelhydrid – gassar knytte til aktiviteten til ekstremfile mikroorganismar.
Kvifor ekstremfilar er avgjerande for å løyse klimakrisa
Emnet høyrest kosmisk ut, men heng svært tett saman med problem her og no. Det endra klimaet, den aukande forureininga av luft og jord, og den veksande etterspørselen etter energi krev nye teknologiske løysingar. Mikroorganismar som toler temperaturar og saltkonsentrasjonar som kan bli meir utbreidde dei komande tiåra, tilbyr naturlege tilpassingsverktøy.
Med hjelp frå dei kan ein designe produksjonslinjer særleg tilpassa meir ekstreme forhold – til dømes i tørre regionar der det manglar reint vatn. Takka vere arbeid ved lågare temperaturar eller med større variasjon i parameter vert industrielle prosessar meir fleksible. Selskapet Novozymes sel allereie i dag enzym frå ekstremfilar til tekstilindustrien i India og Bangladesh, der lokale tilhøve kompliserer vanlege fargeingsprosessar.
Det er òg verdt å nemne risikoane. Manipulasjon med genomet til ekstremfilar og skapinga av hybridar med hittil usette motstandsevner krev svært strenge reglar for biologisk tryggleik. Forskarar og regulatørar må løpande oppdatere regelverket, slik at innovasjonane ikkje slepp unna kontroll. Det er neppe eit betre tidspunkt enn no for å tenkje over dette i fellesskap og støtte ansvarleg forsking.
