Mikroskopiske organismer redefinerer astrobiologien
Nutidens forskere er ikke kun optaget af teleskoper – de vender blikket mod mikroskopiske organismer, der trives i planetens mest fjendtlige hjørner. Netop disse bakterier udstikker nye retninger inden for astrobiologien og antyder, hvad vi bør lede efter på Mars og på isbeklædte måner.
Extremofile mikroorganismer overlever steder, hvor alt andet bukker under. De kan trives i syre, tåler strålingsdoser der er dødelige for mennesker, og de nedbrydes ikke ved temperaturer, hvor de fleste proteiner for længst ville koagulere. Disse mikrober lever på grænsen af det biologisk mulige og er i dag ved at blive afgørende redskaber for både videnskab og industri.
Fra videnskabelig kuriositet til seriøst forskningsfelt
I årevis blev de betragtet som en interessant randnote i videnskaben. De findes i hydrotermiske skorstene på havbunden, i varme kilder i Yellowstone, i Antarktis‘ gletschere, i stærkt saltede søer og i klipper flere kilometer under jordoverfladen. Nu er de imidlertid blevet hovedpersoner i meget seriøse studier.
Et forskerhold, hvis resultater blev offentliggjort i tidsskriftet Frontiers in Microbiology, viser, at disse organismer på én gang kan bidrage til beskyttelsen af jordens biosfære og til søgningen efter liv uden for vores planet.
Extremofiler producerer specialiserede enzymer, der ikke nedbrydes der, hvor almindelige proteiner for længst har mistet deres funktion. Forskerne betegner disse som extremoenzymer. Det var netop takket være ét sådant enzym – en termostabil DNA-polymerase fra en bakterie i de varme kilder i Yellowstone – at den almindelige PCR-test overhovedet blev mulig.
Hvordan mikrober fra helvede hjælper i vaskeriet og ved fremstilling af biobrændstof
Det lyder måske som science fiction, men sporene fra denne mikrohær finder vi faktisk i vores hjem. Enzymer udvundet fra extremofiler forbedrer effektiviteten af vaskepulver og gør det muligt at vaske effektivt ved lavere temperaturer. Det betyder mindre energiforbrug, lavere elregninger og en reduktion af CO₂-udledningen.
Andre stammer af mikroorganismer er fremragende til at nedbryde hårde planterester. Det gør processen med at omdanne landbrugsaffald til biobrændstof både enklere og billigere. I stedet for at afbrænde halm eller andre rester kan man fremstille flydende brændstoffer med et markant lavere kulstofaftryk.
Særligt imponerende er de mikrober, der under både laboratorie- og feltforhold kan binde og omdanne tungmetaller. Det drejer sig blandt andet om:
- Kviksølv – ekstremt giftigt, aflejret i jord og bundsedimenter
- Kadmium og bly – farlige for nervesystemet og blodproduktionen
- Krom og nikkel – ofte til stede i industriaffald
- Arsen – kræftfremkaldende halvmetal i forurenet vand
- Kobber – skadeligt for planter og dyr ved for høje koncentrationer
- Zink – giftigt ved langvarig eksponering for høje doser
Disse egenskaber udnyttes inden for bioremediering – altså oprensning af forurenede lokaliteter ved hjælp af levende organismer frem for tung kemi. I stedet for at bortkøre tusindvis af tons jord til særlige deponier kan man kontrolleret indsætte omhyggeligt udvalgte bakterier og svampe.
Hvordan forskere tæmmede mikrober ved hjælp af computermodeller og genredigering
Der er dog ét grundlæggende problem: mange extremofiler kan ikke let dyrkes i et standardlaboratorium. Organismer vant til trykket flere kilometer under vandet eller til stærke syrer trives simpelthen ikke i kolber på et laboratoriebord.
Derfor griber forskere i stigende grad til værktøjer fra syntetisk biologi og computersimulering. I stedet for fysisk at genskabe forholdene fra havbunden opbygger de præcise metaboliske modeller af hele celler – de såkaldte GEM (genome-scale metabolic models). GEM-simuleringer gør det muligt at forudsige, hvordan en mikroorganisme reagerer på en genetisk ændring eller en ændring i næringsmediet, inden forskeren udfører et eneste reelt eksperiment.
Ved at kombinere disse modeller med præcise genredigeringsteknikker som CRISPR modificerer forskerhold bakterier på meget målrettet vis. Man kan for eksempel styrke den metaboliske vej for produktion af et bestemt kemisk stof, dæmpe et gen der er ansvarligt for giftstofproduktion, eller tilføje gener fra en anden extremofil for at øge modstandsdygtigheden over for temperatur eller saltindhold.
Resultatet er mikrofabrikker, der producerer nye antibiotika, bionedbrydelige materialer eller præcise kemiske katalysatorer – alt sammen under forhold, der er skånsomnere over for miljøet end den klassiske kemiske industri. Forskere fra University of Maryland præsenterede for nylig en modificeret stamme af Deinococcus radiodurans, der kan nedbryde plastrester selv ved høj stråling.
Hvad varme kilder og Mars’ overflade har til fælles
En central del af holdets arbejde handler om at anvende disse indsigter uden for vores planet. Extremofiler lever blandt andet i stærkt saltede søer, i dybe huler, under gletschere og i vulkanske fumaroler. Mange astrobiologer betragter sådanne steder som naturlige analoger til fremmedartede miljøer i rummet.
Mars, Europa (Jupiters måne) og Enceladus (Saturns måne) er objekter præget af ekstreme forhold: lave temperaturer, høj stråling, fravær af ilt, stærk saltkoncentration og til tider tilstedeværelse af underjordiske oceaner. Lyder det bekendt? For mange jordiske extremofiler er det fuldstændig normalt.
Hvis en bakterie på Jorden kan leve i en mørk, varm vulkansk revne uden adgang til ilt og lys, stiger sandsynligheden for, at enkle livsformer også er opstået i et lignende kosmisk miljø. Forskere lærer derfor at genkende de spor, sådanne organismer efterlader: ændringer i bjergarters kemiske sammensætning, karakteristiske mønstre i isotoper og specifikke organiske molekyler. På den baggrund udvikles instrumenter til rovere og rumsonder samt strategier for prøvetagning.
NASA planlægger som en del af missionen Mars Sample Return at anvende spektrometre designet netop ud fra indsigter fra forskning i extremofile kolonier i den chilenske ørken Atacama. Den Europæiske Rumorganisation ESA tester boreudstyr på gletscheren Vatnajökull på Island, hvor mikrobiologer har identificeret bakterier, der lever under forhold svarende til Europas måne.
Hvordan mikrober ændrer reglerne for planlægning af rumfartsmissioner
Analysen af extremofiler påvirker mange faser af missionslægningen. Valget af landingssted prioriterer regioner, der minder om kendte jordiske saltøer, gletschere eller vulkanske områder. Instrumenterne konstrueres, så spektrometre og mikroskoper kan registrere små ændringer i kemisk sammensætning, der er typiske for mikroorganismers aktivitet.
Strategier for prøvetagning bevæger sig i retning af dybere boringer under overfladen, hvor bjergarter og is bedre beskytter eventuelle celler mod kosmisk stråling. Ingeniører fra California Institute of Technology har designet en robotarm, der er i stand til at bore op til tre meter under Mars’ overflade – inspireret af studiet af bakterier i dybe boringer i Grønland.
På baggrund af data fra extremofilforskning opstår der også såkaldte prioriterede biosignaturer – et sæt kendetegn, der er særligt værdifulde at overvåge under fremtidige missioner. Målet er ikke abstrakt at lede efter liv i al almindelighed, men efter meget konkrete mønstre kendte fra ekstreme økosystemer på Jorden. Forskere fra University of Edinburgh har sammensat en database med mere end to hundrede kemiske markører, der er typiske for extremofile archaeas metabolisme.
Hvad extremofiler lærer os om livets muligheder i hele universet
Forskningen i disse usædvanlige mikroorganismer fører til et ubehageligt spørgsmål: er vores klassiske forståelse af liv måske alt for snæver? Skolebogen har vant os til, at organismer kræver moderate temperaturer, vand i flydende tilstand og et relativt mildt miljø. Nyopdagede stammer modsiger imidlertid denne intuition.
Vulkanske søer med en pH-værdi sammenlignelig med syren fra et bilbatteri, gletschere hvor vandet næsten aldrig smelter, eller saltlager så tætte at de ville destruere de fleste celler – det er for visse mikroorganismer fuldstændig behagelige levesteder. Det betyder, at der i Solsystemet kan eksistere langt flere nicher, hvor man kan søge efter biologiske signaler.
Denne ændring i tænkemåden påvirker også designet af fremtidige rumteleskoper og forskningsmissioner uden for Solsystemet. Ved søgningen efter jordlignende planeter tager forskere i stigende grad et bredere spektrum af temperaturer, atmosfæriske sammensætninger og geologier i betragtning end for bare ti år siden. James Webb Space Telescope kortlægger aktivt exoplaneter med høje koncentrationer af metan og svovlbrinte – gasser forbundet med extremofile mikroorganismers aktivitet.
Hvorfor extremofiler er afgørende for løsningen af klimakrisen
Emnet lyder kosmisk, men hænger meget stærkt sammen med problemer lige her og nu. Det ændrede klima, den stigende forurening af luft og jord samt den voksende efterspørgsel efter energi kræver nye teknologiske løsninger. Mikroorganismer, der tåler temperaturer og saltkoncentrationer, som kan blive mere udbredte i de kommende årtier, tilbyder naturlige tilpasningsredskaber.
Med deres hjælp kan man designe produktionslinjer specielt beregnet til mere ekstreme forhold – for eksempel i tørre regioner, hvor der mangler rent vand. Takket være arbejdet ved lavere temperaturer eller med større variation i parametre bliver industrielle processer mere fleksible. Virksomheden Novozymes sælger allerede i dag enzymer fra extremofiler til tekstilindustrien i Indien og Bangladesh, hvor de lokale forhold komplicerer normale farveprocesser.
Det er også værd at nævne risiciene. Manipulation med extremofilers genom og skabelsen af hybrider med hidtil usete modstandsevner kræver meget strenge regler for biologisk sikkerhed. Forskere og regulatorer skal løbende opdatere reglerne, så innovationerne ikke undslipper kontrol. Der er næppe et bedre tidspunkt end nu til at tænke over dette i fællesskab og støtte ansvarlig forskning.
