Frå mikroskop til stjernene
I dag vender forskarane blikket bort frå teleskopa og ned i mikroskopa, retta mot organismar som lever i dei mest fiendtlege hjørnene på planeten vår. Det er nettopp desse skapningane som no set nye standardar innan astroiologi og gir oss leietrådar til kva vi skal leite etter på Mars og dei isdekkja månane.
Mikroorganismar som overlever der alle andre livsformer gir opp, er i ferd med å bli nøkkelen til å forstå korleis liv kan eksistere i universet. Desse ekstreme bakteriane og arkeane toler forhold som ville drept eit menneske på nokre få sekund.
Kva er eigentleg ekstremofiler?
På planeten vår finst det organismar som kan symje i syre, overleve strålingsdosar som er dødlege for menneske, og halde seg intakte ved temperaturar der dei fleste protein rett og slett koagulerer. Dei blir kalla ekstremofiler – mikrobar som er spesialiserte på å leve i grenseland for kva som biologisk sett er mogleg.
I årevis blei dei rekna som berre ein kuriøs unnatak. Dei lever i hydrotermale skorsteinar på havbotnen, i varme kjelder, i isbrear, i sterkt salthaltige innsjøar eller i fjell fleire kilometer under overflata. No har dei blitt hovudpersonar i svært seriøs forsking. Eit forskingsteam, der resultata er skildra i tidsskriftet Frontiers in Microbiology, viser at desse organismane på same tid kan bidra til å verne Jordens biosfære og til jakta på liv utanfor planeten vår.
Ekstremofiler produserer spesialiserte enzym som ikkje bryt ned under forhold der vanlege protein for lengst ville ha gitt opp. Det er naturlege reiskapar, tilpassa ekstreme temperatur-, trykk- og kjemiske miljø.
Korleis ekstremofiler forandrar industri og kvardagsliv
Forskarane kallar dei ekstremoenzym. Takka vere eitt av desse enzymane – eit varmestabilt DNA-polymerase frå ein bakterie i varme kjelder i Yellowstone – er den daglege PCR-testen i dag mogleg. Det same prinsippet, nemleg ekstraordinær stabilitet under atypiske forhold, gjer ekstreme mikrobar ideelle til industrielle og miljømessige bruksområde.
Det høyrest ut som science fiction, men spor av denne mikro-armeen finn vi faktisk heime hjå oss. Enzym frå ekstremofiler aukar effektiviteten til vaskepulver og gjer det mogleg å vaske effektivt ved lågare temperaturar. Det betyr lågare energiforbruk, lågare straumrekning og reduserte CO₂-utslepp.
Andre stammar av mikroorganismar er framifrå til å bryte ned harde planterestane. Det gjer prosessen med å omdanne landbruksavfall til biodrivstoff både enklare og billegare. I staden for å brenne halm eller andre restar kan ein produsere flytande drivstoff med eit markant lågare klimaavtrykk.
Særleg imponerande er dei mikrobane som under laboratorie- og feltforhold kan binde og omdanne tungmetall. Det dreiar seg mellom anna om:
- Kvikksølv – ekstremt giftig, som legg seg att i jord og botnsediment
- Kadmium og bly – farlege for nervesystemet og bloddanninga
- Krom og nikkel – ofte til stades i industriavfall
- Arsen – førekjem i forureina drikkevasskjelder
- Kopar og sink – i for store mengder skadelege for både planter og dyr
Desse evnene blir utnytta i bioremediering – reinsing av forureina område ved hjelp av levande organismar i staden for tung kjemi. I staden for å frakte tusenvis av tonn jord til spesialdeponi kan ein på kontrollert vis setje inn eigna utvalde bakteriar og sopp.
Kvifor er ekstremofiler vanskelege å dyrke i laboratoriet
Det finst eitt grunnleggjande problem: mange ekstremofiler let seg ikkje lett dyrke i eit standardlaboratorium. Organismar som er vande med trykket fleire kilometer under vatn eller med sterke syrer, trivst rett og slett ikkje i kolbar som står på eit arbeidsbord.
Difor grip forskarar i aukande grad til syntetisk biologi og datamodellering. I staden for fysisk å gjenskape forholda frå havbotnen byggjer dei presise metabolske modellar av heile celler, dei såkalla GEM (genome-scale metabolic models). GEM-simuleringar gjer det mogleg å føreseie korleis ein mikroorganisme vil reagere på ei genetisk endring eller ei endring i næringsmediet, før forskaren gjennomfører eit einaste verkeleg forsøk.
Ved å kombinere desse modellane med presise genredigeringsteknikkar som CRISPR kan forskarteam modifisere bakteriar på svært målretta vis. Det er til dømes mogleg å:
- Forsterke produksjonsvegen for eit bestemt kjemisk stoff
- Dempe eit gen som er ansvarleg for produksjon av toksinar
- Tilføye gen frå ein annan ekstremofil for å auke motstandsdyktigheit mot temperatur eller saltinnhald
- Optimere stoffskiftet til produksjon av bionedbrytbar plast
- Skape stammar som produserer nye antibiotika eller enzym til den farmasøytiske industrien
- Auke effektiviteten av avløpsreinsing med høgt organisk innhald
Resultatet er mikrofabrikkar som produserer nye antibiotika, biologisk nedbrytbare materiale eller presise kjemiske katalysatorar – alt saman under forhold som er langt venlegare mot miljøet enn den klassiske kjemiske industrien.
Kva varme kjelder har til felles med overflata på Mars
Ein sentral del av forskingsteamet sitt arbeid handlar om å bruke desse innsiktene utanfor planeten vår. Ekstremofiler lever mellom anna i sterkt salthaltige innsjøar, djupe holer, under isbrear og i vulkanske fumaroler. Mange astrobiologar ser på slike stader som naturlege analogar til framande miljø i universet.
Mars, Europa (Jupiters måne) og Enceladus (Saturns måne) er objekt der ekstreme forhold rådar: låge temperaturar, høg stråling, fråvær av oksygen, høg saltkonsentrasjon og til tider underjordiske hav. Høyrest det kjent ut? For mange jordiske ekstremofiler er svaret heilt klart ja.
Dersom ein bakterie på Jorda kan leve i ei mørk, varm vulkansk sprekk utan tilgang til oksygen og lys, aukar sannsynet for at enkle livsformer har oppstått ein liknande stad i rommet. Forskarane lærer seg difor å kjenne att dei spora slike organismar etterlet seg: endringar i den kjemiske samansetjinga til bergartar, karakteristiske isotonmønster og spesifikke organiske molekyl. På dette grunnlaget vert instrument til rovarar og romsondar utvikla, saman med strategiar for prøvetaking.
Ekstremofiler fungerer dermed som levande rettleiarar som ingeniørar hjå NASA, ESA og andre romfartsbyråar brukar til å planleggje framtidige misjonar. Takka vere studiar av mikroorganismar frå islandske geyserar, dei chilenske saltsjøane i Atacama og dei antarktiske subglasiale innsjøane som Don Juan Pond veit vi betre kvar og korleis vi skal leite.
Korleis mikrobar endrar planane for rommisjoner
Analysen av ekstremofiler påverkar mange fasar av misjonsplanlegginga. Valet av landingsstad prioriterer regionar som liknar kjende jordiske saltsjøar, isbrear eller vulkanske område. Konstruksjonen av instrument vert tilrettelagd slik at spektrometer og mikroskop kan registrere små endringar i den kjemiske samansetjinga som er typisk for mikroorganismars aktivitet.
Strategiar for prøvetaking omfattar planar om å bore djupare under overflata, der bergarter og is betre skjermar eventuelle celler mot kosmisk stråling. Ingeniørane hentar inspirasjon frå korleis jordiske ekstremofiler overlever i underjordiske rom under chilenske saltsletter eller i djupna av dei sørafrikanske gruvene ved Mponeng.
På bakgrunn av data frå ekstremofil-forsking vert også dei såkalla prioriterte biosignaturane utvikla – ei samling eigenskapar det er særleg viktig å overvake under framtidige misjonar. Målet er ikkje å leite abstrakt etter liv generelt, men etter svært konkrete mønster som er kjende frå ekstreme økosystem på Jorda. Det inkluderer til dømes spesifikke isotopforhold for karbon, svovel eller nitrogen, tilstaden av bestemte lipid eller karakteristiske mikroskopiske strukturar i bergarter.
Kva ekstremofiler lærer oss om sjølve definisjonen på liv
Forskinga på desse usedvanlege mikroorganismane reiser eit ubehageleg spørsmål: er vår klassiske forståing av liv kanskje for trong? Skulane sin biologi har vant oss til at organismar krev moderate temperaturar, flytande vatn og eit relativt venleg miljø. Samstundes motseier nyoppdaga stammar denne intuisjonen.
Vulkanske innsjøar med ein pH-verdi som kan samanliknast med syra i eit bilbatteri, isbrear der vatn nesten aldri smeltar, eller saltlager så tette at dei ville øydelagt dei fleste celler – det er for visse mikroorganismar eit fullstendig komfortabelt miljø. Det betyr at det i Solsystemet kan eksistere langt fleire nisjar der det er verdt å leite etter biologiske signal.
Dette skiftet i tenkjemåten påverkar òg utforminga av framtidige romteleskop og forskingsmisjonar utanfor Solsystemet. I jakta på jordliknande planetar vurderer forskarar no eit breiare spekter av temperaturar, atmosfærisk samansetjing og geologi enn for ti år sidan. Oppdagingane av ekstremofiler utvider grensene for den såkalla bueleg sona rundt stjerner og aukar talet på potensielt interessante eksoplanetarar.
Ekstremofiler i kvardagen og i klimadebatten
Emnet verkar kosmisk, men er likevel tett knytt til problema vi står overfor her og no. Eit skiftande klima, aukande luft- og jordforureining og ein veksande etterspurnad etter energi krev nye teknologiske løysingar. Mikroorganismar som toler temperaturar og saltinnhald som kanskje vil verte meir utbreidde i dei komande tiåra, tilbyr naturlege reiskapar til tilpassing.
Med deira hjelp kan ein designe produksjonslinjer skapte spesielt for ekstreme forhold – til dømes til tørre regionar der vatn av høg kvalitet manglar. Takka vere arbeid ved lågare temperaturar eller med større variasjon i parametrar vert industrielle prosessar meir fleksible. Visse ekstremofilstammar kan produsere biodrivstoff av avfallsbiomasse sjølv i ørkenområda i Sahel eller det australske innlandet, der klassiske teknologiar ville svikta.
Det er òg verdt å nemne risikoane. Manipulasjon med ekstremofilar sitt genom og skapinga av hybridar med tidlegare usett motstandsdyktigheit krev svært strenge reglar for biologisk tryggleik. Forskarar og regulatorar må løpande oppdatere reglane for å sikre at innovasjon ikkje slepp unna kontrollen. Både Den europeiske unionen og USA innfører difor nye protokollar for arbeid med genetisk modifiserte ekstremofiler, som inkluderer strenge isolasjonsprosedyrar og overvaking.
Ekstremofiler har dermed vorte noko langt meir enn ein eksotisk kuriositet frå ei lærebok. Dei bind saman laboratorium som arbeider med klimaendringar, ingeniørar som utviklar romteknologi, og legar som søkjer etter nye legemiddel. Og samstundes minner dei oss om at liv – inkludert det som kanskje eksisterer utanfor Jorda – er i stand til å tilpasse seg forhold vi for ikkje så lenge sidan rekna for fullstendig livlause. Kanskje er det nettopp desse bittesmå organismane som ein dag vil avsløre at vi ikkje er åleine i universet.
