Forskere studerer i dag ikke teleskoper, men mikroskopiske organismer, der lever i de mest fjendtlige hjørner af vores planet. Disse ekstremofile mikrober udpeger nye retninger inden for astrobiologi og viser, hvad vi skal lede efter på Mars og på iskolde måner.
Vores planet huser organismer, der kan svømme i syre, modstå strålingsdoser, der ville være dødelige for mennesker, og overleve ved temperaturer, hvor de fleste proteiner simpelthen koagulerer. Disse såkaldte ekstremofile mikrober er specialiserede i at leve på grænsen af det biologisk mulige.
I årevis blev de betragtet som en kuriositet. De lever i hydrotermiske skorstene på havbunden, i varme kilder, i gletsjere, i stærkt saltholdige søer og i klipper flere kilometer under jordoverfladen. Nu er de blevet genstand for meget seriøs forskning. Et forskerteam, hvis resultater er beskrevet i tidsskriftet Frontiers in Microbiology, viser at disse organismer samtidig kan hjælpe med at beskytte Jordens biosfære og med at søge efter liv uden for vores planet.
Ekstremofiler producerer specialiserede enzymer, der ikke nedbrydes i miljøer, hvor almindelige proteiner for længst ville være gået til grunde. Disse naturlige værktøjer er tilpasset til ekstreme temperaturer, tryk og kemiske forhold. Forskere kalder dem ekstremoenzymer. Det er netop takket være et sådant enzym, en varmeresistent DNA-polymerase fra bakterier i Yellowstones varme kilder, at den i dag udbredte PCR-test er mulig. Samme princip, ekstraordinær stabilitet under usædvanlige forhold, gør ekstreme mikrober ideelle til industrielle og miljømæssige anvendelser.
Fra vaskepulver til biobrændstof og jordoprensning
Selvom det lyder som science fiction, har vi spor af denne mikrohær i vores hjem. Enzymer fra ekstremofile mikrober understøtter vaskemidlers virkning og gør det muligt at vaske effektivt ved lavere temperaturer. Det betyder lavere energiforbrug og billigere regninger, men også reduceret udledning af kuldioxid.
Andre mikrobielle stammer er fremragende til at nedbryde hårde planterester. Dermed bliver processen med at omdanne landbrugsaffald til biobrændstof lettere og billigere. I stedet for at afbrænde halm eller andre rester kan man producere flydende brændstoffer med et langt mindre CO2-aftryk.
Særligt imponerende er dog mikrober, der under laboratorie- og feltforhold kan binde og omdanne tungmetaller. Det drejer sig blandt andet om:
- kviksølv, som er ekstremt giftigt og ophobes i jord og bundsedimenter
- cadmium og bly, der er farlige for nervesystemet og bloddannelsen
- chrom og nikkel, som ofte findes i industriaffald
- arsen, der forurener grundvand i mange regioner
- kobber og zink, som i høje koncentrationer skader mikroorganismer
Disse evner udnyttes i bioremediering, altså oprensning af forurenede områder ved hjælp af levende organismer i stedet for tung kemi. I stedet for at transportere tusindvis af tons jord til specialdeponier kan man på kontrolleret vis tilføre jorden nøje udvalgte bakterier og svampe.
Genteknologi: sådan tæmmes mikrober fra helvede
Der er ét grundlæggende problem. Mange ekstremofile mikrober kan ikke let dyrkes i et standardlaboratorium. Organismer, der er vant til det tryk, der hersker flere kilometer under havoverfladen, eller til stærke syrer, finder simpelthen ikke sig til rette i kolber på laboratoriebordet.
Derfor griber forskere i stigende grad til værktøjer fra syntetisk biologi og computermodellering. I stedet for fysisk at genskabe forholdene fra havbunden skaber de præcise metaboliske modeller af hele celler, såkaldte GEM (genome-scale metabolic models). GEM-simuleringer gør det muligt at kontrollere, hvordan en mikroorganisme vil reagere på en genændring eller ændring af næringsstofsammensætningen, før forskeren udfører blot ét reelt eksperiment.
Ved at kombinere disse modeller med teknikker til præcis genredigering som CRISPR modificerer forskerteams bakterier på meget målrettet vis. Man kan for eksempel forstærke den metaboliske vej, der producerer en bestemt kemisk forbindelse, dæmpe et gen, der er ansvarligt for produktion af toksiner, eller tilføje gener fra en anden ekstremofil for at øge resistensen over for temperatur eller saltholdighed.
Resultatet er mikrofabrikker, der producerer nye antibiotika, bionedbrydelige materialer eller præcise kemiske katalysatorer. Alt sammen under forhold, der er langt mere miljøvenlige end i klassisk kemisk industri. Universiteter som Massachusetts Institute of Technology og University of California arbejder intensivt med at optimere disse processer.
Hvad har varme kilder til fælles med Mars’ overflade
En afgørende del af forskerteamets arbejde vedrører anvendelsen af denne viden uden for vores planet. Ekstremofile mikrober lever blandt andet i stærkt saltholdige søer, i dybe huler, under gletsjere og i vulkanske fumaroler. Mange astrobiologer betragter sådanne steder som naturlige analoger til fremmede miljøer.
Mars, Europa (Jupiters måne) og Enceladus (Saturns måne) er objekter med ekstreme forhold: lave temperaturer, høj stråling, mangel på ilt, høj saltholdighed og undertiden tilstedeværelsen af underoverfladiske oceaner. Lyder det bekendt? For mange jordiske ekstremofile mikrober er det faktisk ret normalt.
Hvis en bakterie på Jorden kan leve i en mørk, varm vulkansk sprække uden adgang til ilt og lys, øges chancen for at simple livsformer også er opstået et sted i et lignende kosmisk miljø. Forskere lærer derfor hvordan sporene ser ud, som sådanne organismer efterlader. Det drejer sig om ændringer i klippers kemiske sammensætning, karakteristiske mønstre i isotoper og specifikke organiske molekyler. På dette grundlag designer man instrumenter til rovere og rumsonder samt strategier for prøveudtagning.
Sådan hjælper mikrober fra Jorden med at planlægge rummissioner
Analysen af ekstremofile mikrober påvirker mange faser af missionsplanlægning. Valget af landingssted prioriterer regioner, der minder om kendte saltsøer, gletsjere eller vulkanske områder fra Jorden. Konstruktionen af instrumenter tilpasses således at spektrometre og mikroskoper er designet til at detektere små ændringer i kemisk sammensætning, der er typiske for mikroorganismers aktivitet.
Strategien for prøveudtagning indebærer at ingeniører planlægger boringer dybere under overfladen, hvor klipper og is bedre beskytter eventuelle celler mod kosmisk stråling. NASA og European Space Agency bruger data fra ekstremofil-forskning til at designe fremtidige missioner til Mars og de iskolde måner.
På grundlag af data fra studier af ekstremofile mikrober opstår også såkaldte prioriterede biosignaturer, et sæt karakteristika, som det er særligt relevant at spore under fremtidige missioner. Målet er ikke abstrakt at søge efter liv i almindelighed, men efter meget specifikke mønstre kendt fra ekstreme økosystemer på Jorden. Forskere fra California Institute of Technology og Max Planck Institute bidrager aktivt til dette arbejde.
Hvad ekstremofile mikrober lærer os om selve definitionen af liv
Forskningen i disse bemærkelsesværdige mikroorganismer fører til et ubehageligt spørgsmål. Er vores klassiske forståelse af liv måske for snæver? Skolebiologien vænner os til at organismer har brug for moderat temperatur, flydende vand og relativt milde omgivelser. Imidlertid modsiger nyopdagede stammer denne intuition.
Vulkanske søer med pH-værdi, der kan sammenlignes med batterisyre, gletsjere hvor vandet praktisk talt ikke smelter, eller saltlager så tætte at de kunne ødelægge de fleste celler, er for visse mikroorganismer ganske behagelige levesteder. Det betyder at der i solsystemet kan eksistere flere nicher, hvor man kan søge efter biologiske signaler.
Denne ændring i tænkning påvirker også designet af fremtidige rumteleskoper og forskningsmissioner uden for solsystemet. Når forskere søger efter planeter, der ligner Jorden, tager de i stigende grad hensyn til et bredere spektrum af temperaturer, atmosfærisk sammensætning og geologi end for blot et årti siden. Studier publiceret i Nature Astronomy og Astrobiology bekræfter denne tendens.
Ekstremofile mikrober i hverdagen og i klimadebatten
Emnet virker kosmisk, men det er meget stærkt forbundet med problemer her og nu. Skiftende klima, stigende forurening af luft og jord samt voksende energibehov tvinger nye teknologiske løsninger frem. Mikroorganismer, der kan modstå temperaturer og saltholdighed, som måske bliver almindelige i de kommende årtier, tilbyder naturlige tilpasningsværktøjer.
Med deres hjælp kan man designe produktionslinjer skabt specielt til mere ekstreme forhold, for eksempel til tørre regioner hvor der mangler vand af høj kvalitet. Takket være arbejde ved lavere temperaturer eller ved større variation i parametre bliver industrielle processer mere fleksible. Virksomheder som Novozymes og BASF investerer allerede i udvikling af ekstremoenzymer til industriel brug.
Det er også vigtigt at huske på risici. Manipulation af ekstremofilers genom og skabelsen af hybrider med hidtil uset resistens kræver meget strenge regler for biologisk sikkerhed. Forskere og regulerende myndigheder skal løbende opdatere forskrifter således at innovationer ikke løber løbsk.
Ekstremofile mikrober bliver derfor noget mere end en eksotisk kuriositet fra lærebogen. De forbinder laboratorier, der beskæftiger sig med klimaforandringer, ingeniører der udvikler rumteknologi, og læger der søger nye lægemidler. Og de minder os samtidig om at liv, også det som måske eksisterer uden for Jorden, kan tilpasse sig forhold vi indtil for nylig betragtede som fuldstændig livløse. Kunne det ændre vores forståelse af livets grænser for altid?
