Drobnoustroje dostały nowe zadanie. Stawka jest kosmiczna
Nowy przegląd badań pokazuje, że ekstremofile mogą pomóc w biopaliwach, oczyszczaniu środowiska i astrobiologii. To mikroby stworzone do warunków granicznych.
Ekstremofile to organizmy, które nie tylko przeżywają, ale potrafią normalnie funkcjonować w warunkach zabójczych dla większości życia: przy bardzo wysokiej temperaturze, wysokim zasoleniu, skrajnym pH, ogromnym ciśnieniu albo silnym promieniowaniu. Nowy przegląd opublikowany we Frontiers in Microbiology pokazuje, że ich znaczenie rośnie dziś tam, gdzie byśmy się nie spodziewali: w zielonej biotechnologii, w oczyszczaniu środowiska i w astrobiologii, czyli badaniach nad możliwością życia poza Ziemią.
Autorzy podkreślają, że kluczowe są tu zarówno same mikroorganizmy, jak i ich enzymy, zwane ekstremozymami, które zachowują aktywność tam, gdzie klasyczne biokatalizatory po prostu się rozpadają.
To właśnie ta odporność sprawia, że ekstremofile są tak atrakcyjne przemysłowo. W zwykłych procesach biologicznych często trzeba precyzyjnie pilnować temperatury, odczynu czy stężenia soli, bo drobna zmiana może zabić mikroorganizm albo unieczynnić enzym.
W przypadku ekstremofili pole manewru bywa znacznie większe. Można więc budować procesy bardziej odporne, stabilniejsze i w niektórych zastosowaniach po prostu tańsze środowiskowo. Nowoczesna biotechnologia coraz częściej nie szuka już tylko maksymalnej wydajności, ale także mniejszego zużycia energii, wody i agresywnej chemii.
To nie są mikroby z filmu sci-fi, tylko działające narzędzia
Najbardziej znany przykład ich użycia wszedł do codziennego języka nauki dawno temu. Chodzi o polimerazę z termofilnej bakterii Thermus aquaticus, odkrytej w gorących źródłach Yellowstone. To dzięki niej upowszechniła się technika PCR, czyli namnażanie fragmentów DNA, bez którego trudno dziś wyobrazić sobie diagnostykę, kryminalistykę czy nowoczesną biologię molekularną.
Polimeraza termostabilna wytrzymuje wysoką temperaturę kolejnych cykli reakcji, dlatego nie trzeba jej było ciągle dodawać od nowa. To był moment, w którym mikroby z ekstremalnych środowisk pokazały, że mogą napędzać bardzo praktyczną technologię.
Nowy przegląd wskazuje, że ekstremofile i ich enzymy mogą wspierać produkcję biopaliw, rozkład trudnych odpadów rolniczych, oczyszczanie gleb i wód skażonych metalami ciężkimi oraz wytwarzanie wybranych związków chemicznych w warunkach, które dla zwykłych mikroorganizmów byłyby zbyt brutalne. Szczególnie cenne są tu mikroby tolerujące metale, wysokie zasolenie i skrajne pH, bo właśnie takie warunki często występują w odpadach przemysłowych, osadach czy w skażonych zbiornikach.
Warto jednak oddzielić to, co już działa szeroko, od tego, co dopiero się rozwija. PCR z użyciem enzymów termostabilnych to technologia ugruntowana. Z kolei wiele zastosowań związanych z biopaliwami, bioremediacją czy projektowaniem nowych szczepów znajduje się nadal na etapie intensywnego rozwoju, testów albo prób skalowania.
Sam przegląd wyraźnie zaznacza, że ekstremofile są trudne w hodowli, badaniu i przenoszeniu do warunków przemysłowych. I właśnie tu zaczyna się drugi, mniej widowiskowy, ale być może najważniejszy rozdział tej historii.
Ratowanie klimatu nie polega tu na jednym cudownym mikrobie
Ratowanie planety nie oznacza, że istnieje jeden drobnoustrój, który po prostu zje emisje i rozwiąże kryzys klimatyczny. Chodzi raczej o całe portfolio narzędzi. Jedne ekstremofile mogą pomagać w rozkładzie opornych odpadów i ich zamianie w użyteczne substraty. Inne nadają się do procesów wykorzystujących słoną wodę albo odpady przemysłowe, co może ograniczać presję na zasoby wody słodkiej. Jeszcze inne wspierają bioremediację, czyli biologiczne oczyszczanie skażonych środowisk.
W tym miejscu pojawia się coraz ważniejsza rola modeli komputerowych. Autorzy pracy podkreślają znaczenie Genome-Scale Metabolic Models, czyli wielkoskalowych modeli metabolicznych. To cyfrowe mapy reakcji biochemicznych zachodzących w komórce, które pozwalają symulować, jak organizm zużywa składniki odżywcze, produkuje związki chemiczne i reaguje na zmiany środowiska.
Takie modele są szczególnie cenne w przypadku ekstremofili, bo pozwalają testować scenariusze bez konieczności odtwarzania za każdym razem piekielnie trudnych warunków laboratoryjnych.
Dopiero połączenie takich modeli z inżynierią genetyczną, w tym z narzędziami CRISPR/Cas, otwiera drogę do projektowania szczepów o bardziej konkretnych możliwościach. Naukowcy chcą nie tylko brać naturę taką, jaka jest, ale też uczyć się od niej i przenosić wybrane cechy do organizmów łatwiejszych w hodowli albo udoskonalać same ekstremofile.
Skoro życie wytrzymuje tu tak wiele, to może wytrzymało też gdzie indziej
Najbardziej nośny fragment tej historii dotyczy jednak kosmosu. Ekstremofile od dawna są traktowane jako ważna wskazówka dla astrobiologii, bo pokazują, że granice życia są szersze, niż długo sądzono. NASA regularnie podkreśla, że Mars i lodowe księżyce, takie jak Europa i Enceladus, pozostają jednymi z głównych celów badań właśnie dlatego, że mogły lub mogą oferować nisze, w których proste organizmy mikrobiologiczne miałyby szansę funkcjonować.
To nie znaczy oczywiście, że jeśli na Ziemi istnieją mikroby odporne na sól, chłód albo promieniowanie, to na Marsie na pewno coś żyje. Logika jest w tym przypadku dużo ostrożniejsza. Ekstremofile pomagają wyznaczyć granice biologicznej wyobraźni. Pokazują, jakie typy środowisk nie muszą być automatycznie martwe. Właśnie dlatego badania nad nimi podpowiadają, gdzie w ogóle warto szukać biosygnatur, czyli śladów życia, i jakich mechanizmów metabolicznych można się spodziewać.
Misje marsjańskie koncentrują się dziś przecież nie na łapaniu żywych organizmów wprost, lecz na identyfikowaniu oznak dawnego życia mikrobiologicznego lub warunków, które mogły je podtrzymywać.
Największa siła ekstremofili polega na tym, że psują nasze intuicje
Najcenniejsze w ekstremofilach może być to, że zmuszają naukę do pokory. Przez długi czas życie kojarzono z umiarkowaniem: umiarkowaną temperaturą, umiarkowanym pH, umiarkowanym zasoleniem. Tymczasem mikrobiologia ostatnich dekad pokazała, że organizmy potrafią funkcjonować znacznie dalej od tego złotego środka, niż przypuszczaliśmy. To przesuwa granice nie tylko technologii, lecz także samego pytania, czym w ogóle jest środowisko nadające się do życia.
Przeczytaj także:
Nowe zainteresowanie ekstremofilami dobrze oddaje szerszą zmianę w nauce. Coraz rzadziej chodzi o bierne katalogowanie dziwnych organizmów. Coraz częściej chodzi o wykorzystanie ich jako mapy: do budowy odporniejszej biotechnologii na Ziemi i do bardziej inteligentnego szukania życia poza nią.
To połączenie jest przecież zaskakująco logiczne. Ten sam drobnoustrój, który inspiruje technologię oczyszczania skażonego środowiska, może jednocześnie podpowiadać, jakiej chemii wypatrywać na innej planecie albo w podlodowcowym oceanie odległego księżyca.
