De kokar i hett vatten, tål syror och strålning – och kan förändra vår syn på liv i universum
De klarar kokande vatten, starka syror och intensiv strålning. Nu tror forskare att dessa härdiga organismer kan visa oss vägen när vi letar efter liv bortom vår egen planet.
Dessa till synes anspråkslösa mikroorganismer, hämtade från jordens allra otillgängligaste platser, har blivit stjärnor i laboratorier, industri, miljövetenskap och rymdforskning. Nya analyser visar att det utan deras hjälp blir svårt att förstå hur levande materia möjligen kan se ut på Mars eller på de isiga månarna kring de stora gasplaneterna.
Forskarna kallar dem extremofiler – bakterier och andra mikroorganismer som inte bara tolererar extrema förhållanden, utan faktiskt är beroende av dem. Det handlar om mycket höga eller låga temperaturer, enormt tryck, kraftig saltighet, frätande syror eller intensiv strålning.
De hittas på platser som en lekman skulle betrakta som fullständigt livlösa: vid hydrotermaliska skorstensventiler på havsbottnen, i heta källor, i evig permafrost, djupt nere i gruvor och till och med i klippor vid polerna. Ändå trivs den lokala ”mikrofaunan” förvånansvärt bra i sådana miljöer.
Hur dessa mikroorganismer överlever där vanliga proteiner bryts ned
Hemligheten bakom deras framgång är specialiserade molekyler – däribland så kallade extremoenzymer. Det är enzymer som fungerar i miljöer där vanliga proteiner sedan länge skulle ha splittrats. De behåller sin stabilitet vid temperaturer nära kokpunkten, i starkt alkaliska lösningar eller under extremt tryck.
Dessa mikroorganismer visar att gränsen för liv på jorden ligger mycket längre bort än man antog för bara några decennier sedan. Och det är precis det som fascinerar astrobiologer.
Bakterier från de heta källorna i Yellowstone producerar exempelvis enzymer som fungerar vid temperaturer över 90 grader Celsius. Andra arter från antarktiskt is klarar sin ämnesomsättning vid temperaturer långt under fryspunkten.
Från PCR-tester till tvätt i kallt vatten
Extremofiler låter som en kuriositet ur en biologilärobok, men i praktiken arbetar de redan för industrin och medicinen. Det välkända PCR-testet, som kom in i vardagsspråket under pandemin, använder ett enzym som ursprungligen kommer från en bakterie i Yellowstones heta källor. Om man hade använt ett vanligt enzym skulle reaktionens höga temperatur omedelbart ha förstört det.
Det finns fler liknande exempel. Enzymer isolerade från extremofiler används bland annat i:
- tvättmedel och kapslar för att fungera effektivt i kallt vatten
- processer för att omvandla jordbruksavfall till biobränslen
- anläggningar för rening av mark och vatten från tungmetaller
- livsmedelsproduktion där enzymaktivitet måste bevaras under krävande förhållanden
- kosmetiska produkter med enzymer anpassade för olika pH-nivåer
- pappers- och textilindustrin med lägre energiförbrukning
- industriell produktion av vitaminer och aminosyror
- bioteknologiska processer vid tillverkning av läkemedel
Inom miljöskyddet kan dessa mikrober bidra ännu mer: de bryter ned giftiga föreningar, binder tungmetaller och kan ibland ”återaktivera” förorenade områden så att växter kan växa där igen. Det är en naturlig form av bioremediering som laboratorier försöker förfina och skala upp.
Genteknik med organismer från extrema miljöer via CRISPR
Att studera organismer anpassade till havsbottnar eller kokande vatten är en logistisk mardröm. Att efterlikna sådana förhållanden i ett laboratorium är dyrt och tekniskt komplicerat. Därför väljer ett forskarlag som beskrivs i tidskriften Frontiers in Microbiology en annan väg: syntetisk biologi och datormodellering.
Forskarna skapar så kallade genomiska metaboliska modeller, eller GEM. Det är digitala motsvarigheter till celler, där man kan kontrollera hur en förändring i en enskild gen påverkar hela organismens funktion. Utifrån detta utformar de DNA-modifieringar, och verktyg som CRISPR gör det möjligt att införa dem i verkliga mikroorganismer.
Kombinationen av artificiell intelligens, metabolisk modellering och precis genredigering förvandlar extremofiler till mikrofabriker konstruerade för specifika uppgifter. Sådana förbättrade mikrober kan producera bioplaster, läkemedelssubstanser, industienzymer eller kemikalier för grön energi.
Forskarna betonar att detta tillvägagångssätt samtidigt kan minska både kostnader och utsläpp från industriella processer, eftersom reaktionerna sker under mildare förhållanden med lägre energi- och kemikalieanvändning. Forskare vid universiteten i Peking och Shanghai har gjort betydande framsteg inom detta område de senaste åren.
Varför Mars-rovrar intresserar sig för extremofiler
Den mest spännande delen av de nya analyserna handlar om rymden. När det på jorden finns bakterier som klarar extrema förhållanden ökar sannolikheten för att någon form av liv kan överleva på andra planeter och månar. Astrobiologer använder jordens extrema miljöer som träningsområden.
Heta källor, saltlösningar, isöknar och djupa grottor simulerar förhållanden man kan förvänta sig på Mars, på månarna Europa eller Enceladus. Kameror, borrar och sensorer som skickas ut i rymden utformas numera med hänsyn till vilka subtila signaler mikroorganismer liknande extremofiler kan lämna efter sig.
Om en cell på jorden effektivt kan skydda sitt genetiska material mot frost, strålning och ljusbrist, kan en liknande biologi fungera även under isytan på avlägsna månar. NASA och den europeiska rymdorganisationen finansierar därför forskning om extremofiler som en direkt del av förberedelserna inför framtida uppdrag.
Vad man letar efter på Mars och de isiga månarna
Data från extremofilforskningen hjälper till att definiera så kallade biosignaturer – spår av aktivitet från levande organismer. Det kan handla om specifika kemiska föreningar, förändringar i bergarternas struktur, karakteristiska isotopförhållanden eller ovanliga ansamlingar av vissa grundämnen.
Tack vare detta letar rymduppdrag inte ”efter liv” i allmänhet, utan riktar in sig på konkreta tecken, till exempel:
- förekomst av organiska föreningar stabila vid låga temperaturer
- mineraliska mönster kopplade till tidigare mikrobiell aktivitet
- annars oförklarliga skillnader i kol- eller svavelisotopförhållanden
- spår efter gamla hydrotermaliska system där livet på jorden blomstrar exceptionellt väl
- specifika lipidmarkörer typiska för extremofiler
- avvikelser i järnets oxidationstillstånd i sediment
Mikrober från jordens extrema miljöer ger också ledtrådar om var det lönar sig att landa med framtida uppdrag. Om en viss bakterieart klarar sig särskilt bra i saltis, blir liknande isförekomster på Mars en prioritet för forskarna. Forskare vid universitetet i Cornwall studerar exempelvis extremofiler från övergivna gruvschakt som en modell för den röda planetens underjordiska miljö.
Kan vi avsiktligt skicka liv till andra planeter?
Den växande kunskapen om extremofiler öppnar upp ett känsligt ämne: att avsiktligt sända mikroorganismer till rymden för att ”testa” deras chanser att överleva. En del forskare ser detta som riskabelt, eftersom det hotar att kontaminera främmande miljöer med jordiska livsformer. Andra föreslår att kontrollerade experiment i slutna orbitala moduler kan ge mycket utan sådana risker.
Till det kommer ett annat problem: hur säkerställer man att eventuella livsspår på Mars verkligen härstammar därifrån och inte är invandrare från våra egna raketer? Även här hjälper kunskapen om extremofiler. Ju bättre vi förstår vilka arter och i vilken form som kan överleva en resa genom rymden, desto effektivare kan vi sterilisera utrustningen och skilja kontaminering från en verkligt främmande organism.
Dr Sarah Stewart Johnson från Georgetown University betonar att planetärt skydd måste gå hand i hand med extremofilforskning. Varje uppdrag till Mars eller Jupitermånarna genomgår sträng dekontaminering för att minimera risken att jordiska mikroorganismer överförs.
Hur påverkar denna forskning vår vardag?
Även om ämnet låter som science fiction märks konsekvenserna på ett mycket vardagligt sätt. Enzymer från extremofiler gör det möjligt att tvätta vid lägre temperaturer, vilket sänker elräkningarna. Biobränslen från avfall kan minska ekonomins beroende av olja. Bakterier som binder tungmetaller påskyndar saneringen av förorenade postindustriella områden.
Samtidigt låter varje bättre förståelse av livets gränser oss se vår egen planet med kritiskare ögon. Jorden är inte ett sterilt klot med ett tunt livsskikt på ytan, utan ett aktivt system där mikroorganismer tränger in i praktiskt taget alla zoner – från isens kärna till djupa sprickor i berggrunden.
För lekmän kan begrepp som astrobiologi eller syntetisk biologi verka avlägsna. I praktiken arbetar forskare som lär av extrema mikroorganismer samtidigt på billigare energi, renare vatten, effektivare läkemedel och bättre planer för att söka efter liv utanför vår planet. Denna diskreta bakteriella elit från heta källor och isöknar har blivit ett av samtidens mest värdefulla vetenskapliga verktyg – och förenar laboratoriet, industrin och rymdforskningen i en alltmer sammanhållen helhetsbild.
