Mikroskopiska organismer omdefinierar letandet efter utomjordiskt liv
Dagens forskare riktar inte alltid sina kikare mot stjärnhimlen – ibland vänder de sig istället mot de mest ogästvänliga platserna på vår egen planet. Mikroskopiska livsformer som trivs under extrema förhållanden håller på att rita om kartan för astrobiolgin och ger oss nya ledtrådar om vad vi bör söka efter på Mars och isiga månar.
På jorden finns organismer som kan simma i syra, överleva strålningsdoser som skulle döda en människa direkt och förbli intakta vid temperaturer där de flesta proteiner normalt koagulerar. Dessa kallas extremofiler – mikrober som specialiserat sig på att leva precis vid gränsen för vad som är biologiskt möjligt.
Under lång tid betraktades de som enkla naturvetenskapliga kurioser. De dyker upp i hydrotermala schakt på havsbottnen, i heta källor, inuti glaciärer, i kraftigt saltade sjöar och i berggrunden flera kilometer under markytan. Nu har de blivit huvudpersoner i högst seriös forskning. Ett forskarteam vars resultat publicerats i tidskriften Frontiers in Microbiology visar att dessa organismer på samma gång kan bidra till att skydda jordens biosfär och hjälpa oss hitta liv bortom vår planet.
Extremoenzymer – naturens egna verktyg för omöjliga miljöer
Extremofiler producerar specialiserade enzymer som håller ihop där vanliga proteiner sedan länge hade brutit samman. Dessa naturliga molekylverktyg är anpassade till extrema temperaturer, tryck och kemiska miljöer – forskarna kallar dem extremoenzymer. Tack vare ett sådant enzym, ett värmetåligt DNA-polymeras från en bakterie i Yellowstones heta källor, är det idag möjligt att utföra ett vanligt PCR-test. Samma grundprincip – remarkabel stabilitet under ovanliga förhållanden – gör extrema mikrober idealiska för industriella och miljömässiga tillämpningar.
Från tvättmedel till biobränsle och marksanering
Det låter kanske som science fiction, men spåren av dessa mikroskopiska arméer finns redan i ditt hem. Enzymer från extremofiler förbättrar effektiviteten hos rengöringsmedel och möjliggör effektiv tvätt vid lägre temperaturer. Det innebär minskad energiförbrukning och lägre elräkningar, men också lägre koldioxidutsläpp.
Andra stammar av mikroorganismer är skickliga på att bryta ned hårda växtrester. Det gör omvandlingsprocessen från jordbruksavfall till biobränsle både enklare och billigare. Istället för att bränna halm eller annat restmaterial kan dessa rester förvandlas till flytande bränsle med ett avsevärt lägre koldioxidavtryck.
Särskilt imponerande är dock de mikrober som under både laboratorieförhållanden och i fält kan binda och omvandla tungmetaller. Det handlar bland annat om följande ämnen:
- Kvicksilver – extremt giftigt, lagras i jordar och bottensediment
- Kadmium och bly – farliga för nervsystemet och blodet
- Krom och nickel – förekommer ofta i industriavfall
- Arsenik – vanligt förekommande i förorenade områden
- Zink och koppar – problematiska vid högre koncentrationer
Dessa förmågor utnyttjas inom bioremediering – sanering av förorenad mark med hjälp av levande organismer istället för tung kemi. Istället för att frakta bort tusentals ton jord till specialdeponier kan man på ett kontrollerat sätt tillföra noggrant utvalda bakterier och svampar direkt till marken.
Hur man tämjer mikrober från helvetet med genteknik
Det finns ett grundläggande problem: många extremofiler är svåra att odla i ett vanligt laboratorium. Organismer som är vana vid trycket flera kilometer under vatten, eller vid starka syror, trivs helt enkelt inte i kolvar som står på ett arbetsbord.
Därför tar forskarna allt oftare till verktyg inom syntetisk biologi och datormodellering. Istället för att fysiskt återskapa förhållanden från havsbottnen bygger de exakta metaboliska modeller av hela celler, så kallade GEM-modeller (genome-scale metabolic models). GEM-simuleringar låter forskarna se hur en mikroorganism reagerar på en genförändring eller ändrad näringslösning – innan ett enda riktigt experiment behöver göras.
Genom att kombinera dessa modeller med precisionstekniker för geneditering, som CRISPR, kan forskarteam modifiera bakterier på ett mycket riktat sätt. Det är till exempel möjligt att:
- förstärka produktionsvägen för en specifik kemisk förening
- tysta ett gen som ansvarar för bildning av gifter
- lägga till gener från en annan extremofil för att öka värme- eller salttoleransen
- förbättra förmågan att använda ovanliga kolkällor
Resultatet är mikrofabriker som producerar nya antibiotika, biologiskt nedbrytbara material och precisa kemiska katalysatorer – allt under förhållanden som är mer miljövänliga än den klassiska kemiska industrin.
Vad heta källor och Mars ytyta har gemensamt
En central del av forskarteamets arbete handlar om att tillämpa dessa kunskaper bortom vår egen planet. Extremofiler lever bland annat i kraftigt saltade sjöar, djupa grottor, under glaciärer och i vulkaniska fumaroler. Många astrobiologer betraktar sådana platser som naturliga analoger till miljöer på andra himlakroppar.
Mars, Europa (Jupiters måne) och Enceladus (Saturnus måne) är objekt där extrema förhållanden råder: låga temperaturer, hög strålning, frånvaro av syre, hög salthalt och ibland underjordiska oceaner. Känns det bekant? För många jordiska extremofiler är svaret definitivt ja.
Om en bakterie på jorden kan leva i en mörk, het vulkanisk spricka utan tillgång till syre eller ljus, ökar sannolikheten för att enkla livsformer kan ha uppstått i liknande kosmiska miljöer. Forskarna lär sig därför hur spåren från sådana organismer ser ut: förändringar i berggrundens kemiska sammansättning, karakteristiska isotopsmönster och specifika organiska molekyler. Utifrån detta utformas instrument för rovers och rymdsonder, liksom strategier för provtagning.
Hur jordmikrober hjälper till att planera rymduppdrag
Analysen av extremofiler påverkar många faser i uppdragsplaneringen. Vid val av landningsplats prioriteras områden som påminner om kända saltsjöar, glaciärer eller vulkaniska regioner på jorden. Instrument som spektrometrar och mikroskop konstrueras för att kunna detektera de subtila kemiska förändringar som är typiska för mikrobiell aktivitet.
Även strategier för provtagning utgår från kunskapen om extremofiler. Ingenjörer planerar borrning djupare under ytan, där berg och is bättre skyddar eventuella celler mot kosmisk strålning. Baserat på extremofil-forskning tas så kallade prioriterade biosignaturer fram – en uppsättning egenskaper som särskilt ska övervakas under framtida uppdrag.
Tanken är inte att på ett abstrakt sätt söka efter liv i allmänhet, utan att leta efter mycket specifika mönster kända från extrema ekosystem på jorden. Forskargrupper vid institutioner som Stanford University och NASA Ames Research Center bygger databaser över de metaboliska spår som extremofiler lämnar i mineraler, vatten och atmosfär.
Vad extremofiler lär oss om själva definitionen av liv
Forskningen på dessa ovanliga mikroorganismer leder till en obehaglig fråga: är vår klassiska syn på liv alltför snäv? Skolans biologi har lärt oss att organismer behöver måttlig temperatur, flytande vatten och en relativt sansad omgivning. Ändå motsäger allt fler nyupptäckta stammar denna intuition.
Vulkaniska sjöar med ett pH jämförbart med batterisyra, glaciärer där vattnet knappt smälter, eller saltlösningar så koncentrerade att de skulle slå ut de flesta celler – allt detta är fullständigt trivsamma livsmiljöer för vissa mikroorganismer. Det innebär att det inom solsystemet kan finnas fler nischer värda att undersöka efter biologiska signaler.
Denna tankeskiftning påverkar även utformningen av framtida rymdteleskop och forskningsuppdrag utanför solsystemet. Vid letandet efter jordliknande planeter tar forskare numera hänsyn till ett bredare spektrum av temperaturer, atmosfärsammansättningar och geologiska förhållanden än för bara ett decennium sedan. Upptäckter från Stilla havets djup och från Atacamaöknen i Chile skriver om läroböckerna i astrobiologi.
Extremofiler i vardagslivet och i klimatdebatten
Ämnet kan verka kosmiskt avlägset, men det kopplar faktiskt starkt till problem här och nu. Ett förändrat klimat, ökad luft- och markförorening samt en växande efterfrågan på energi kräver nya tekniska lösningar. Mikroorganismer som klarar temperaturer och salthalter som kan bli allt vanligare under kommande decennier erbjuder naturliga anpassningsverktyg.
Med hjälp av dem kan man utforma produktionslinjer specifikt anpassade för mer extrema förhållanden – till exempel för torra regioner där tillgången på rent vatten är begränsad. Genom att arbeta vid lägre temperaturer eller med större parametervariabilitet blir industriella processer mer flexibla. Företag som Novozymes och BASF producerar redan idag enzymer från extremofiler för kommersiellt bruk.
Det finns också risker värda att nämna. Manipulation av extremofilers genom och skapandet av hybrider med aldrig tidigare skådad motståndskraft kräver mycket strikta regler för biologisk säkerhet. Forskare och regulatorer måste kontinuerligt uppdatera föreskrifterna för att säkerställa att innovationerna inte hamnar utanför kontroll. Extremofiler har blivit något mer än en exotisk kuriosa i en lärobok – de förenar klimatforskningslaboratorier, ingenjörer som utvecklar rymdteknik och läkare som söker nya läkemedel. Och de påminner oss om att liv kan existera under förhållanden som vi för inte så länge sedan betraktade som fullständigt döda.
