Vaří se v horké vodě, odolávají kyselinám i radiaci. Vědci věří, že právě tyto mikroorganismy napoví, jak vyhledávat život mimo naši planetu.
Tyto nenápadné mikroorganismy z nejnehostinnějších koutů planety se dnes stávají hvězdami laboratoří, průmyslu, ekologie i kosmického výzkumu. Nové analýzy ukazují, že bez jejich účasti bude obtížné pochopit, jak by mohla vypadat živá hmota na Marsu či na ledových měsících plynných obrů.
Vědci je nazývají extremofily. Jde o bakterie a další mikroorganismy, které nejen tolerují, ale přímo potřebují extrémní podmínky: velmi vysokou nebo velmi nízkou teplotu, obrovský tlak, silné zasolení, kyseliny nebo silné záření. Můžeš je najít na místech, která by laik považoval za absolutně mrtvá: v hydrotermálních komínech na dně oceánů, v horkých pramenech, ve věčně zmrzlé půdě, v hlubokých dolech a dokonce ve skalách na pólech. Přitom v takových prostředích se místní „mikrofauna“ daří překvapivě dobře.
Klíčem k jejich úspěchu jsou specializované molekuly – mimo jiné takzvané extremoenzymy. Jde o enzymy, které fungují tam, kde by běžné bílkoviny dávno rozpadly. Udržují stabilitu v teplotách blízkých varu, v silně zásaditém roztoku nebo pod obrovským tlakem. Tyto mikroorganismy ukazují, že hranice života na Zemi leží mnohem dál, než se předpokládalo ještě před několika desítkami let – a právě to zajímá astrobiology.
Od PCR testů po praní v nízké teplotě
Extremofily zní jako zajímavost z učebnice biologie, ale v praxi už fungují pro průmysl a medicínu. Populární PCR test, který vstoupil do běžného jazyka v době pandemie, využívá enzym pocházející z bakterie z horkých pramenů v Yellowstone. Kdybys použil „běžný“ enzym, vysoká teplota reakce by ho okamžitě zničila.
Podobných příkladů je více. Enzymy izolované z extremofilů se používají mimo jiné v:
- práškách a kapslích na praní, aby účinně fungovaly ve studené vodě
- procesech zpracování zemědělského odpadu na biopaliva
- zařízeních čistících půdu a vodu od těžkých kovů
- výrobě potravin, kde je třeba zachovat aktivitu enzymů ve velmi náročných výrobních podmínkách
- biotechnologických procesech vyžadujících extrémní pH nebo teplotu
- farmaceutickém průmyslu při syntéze účinných látek
V ochraně životního prostředí dokážou tyto mikroby dát ještě víc: rozkládají toxické sloučeniny, vážou těžké kovy a někdy dokonce „odemknou“ kontaminovaná místa tak, aby tam mohly znovu růst rostliny. Jde o přirozenou formu bioremediace, kterou se laboratoře snaží vylepšit a rozšířit.
Genetické inženýrství ukazuje cestu k využití života z extrémů
Studium organismů zvyklých na dno oceánu nebo vroucí vodu představuje logistickou noční můru. Napodobení takových podmínek v laboratoři je nákladné a technicky obtížné. Tým popsaný v práci z časopisu Frontiers in Microbiology proto jde jinou cestou: využívá syntetickou biologii a počítačové modelování.
Vědci vytvářejí takzvané metabolické modely celého genomu. Jde o digitální protějšky buněk, ve kterých lze ověřit, jak se změna jednoho genu promítne do fungování celého organismu. Na tomto základě navrhují modifikace DNA a nástroje editace, jako je CRISPR, umožňují je zavést do skutečných mikroorganismů.
Kombinace umělé inteligence, metabolického modelování a precizní editace genů mění extremofily v mikrotovárny navržené pro konkrétní úkoly. Takové upravené mikroby mohou produkovat biopaliva, farmaceutické látky, enzymy pro průmysl nebo látky rozložitelné v přírodě. Výzkumníci zdůrazňují, že tímto způsobem lze současně snížit náklady průmyslových procesů i jejich emisí, protože reakce probíhají v mírnějších podmínkách při menší spotřebě energie a chemikálií.
Proč extremofily zajímají marťanské rovery
Nejzajímavější část nových analýz se týká vesmíru. Když na Zemi existují bakterie, které vydržují extrémní podmínky, roste šance, že nějaké formy života si poradí i na jiných planetách a měsících. Astrobiologové používají pozemská extrémní prostředí jako tréninkové hřiště.
Horké prameny, solanky, ledové pouště či hluboké jeskyně simulují situace, jaké lze očekávat na Marsu, na měsíci Europa nebo Enceladus. Kamery, vrtáky a senzory, které posíláme do vesmíru, dnes vznikají s ohledem na to, jaké jemné signály mohou zanechat mikroorganismy podobné extremofilům.
Pokud buňka na Zemi dokáže účinně chránit svůj genetický materiál před mrazem, zářením a nedostatkem světla, může analogická biologie fungovat i pod ledovou kůrou vzdálených měsíců. Vědci z NASA i Evropské vesmírné agentury proto systematicky testují detektory organických molekul v podmínkách připomínajících povrch Marsu nebo podpovrchové oceány Europy.
Co hledat na Marsu a na ledových měsících
Data z výzkumu extremofilů pomáhají definovat takzvané biosignatury, tedy stopy po aktivitě živých organismů. Mohou to být specifické chemické sloučeniny, změny ve struktuře skal, charakteristické poměry izotopů nebo netypické nahromadění některých prvků.
Díky tomu kosmické mise „nehledají život“ obecně, ale míří na konkrétní známky, například:
- přítomnost organických sloučenin stabilních v nízké teplotě
- minerální vzorce spojené s dávnou aktivitou mikroorganismů
- jinak nevysvětlitelné rozdíly v poměru izotopů uhlíku nebo síry
- stopy po dávných hydrotermálních systémech, ve kterých se život na Zemi mimořádně dobře rozvíjí
- specifické lipidy nebo aminokyseliny typické pro extremofily
- geologické formace připomínající stromatolity z pozemských horkých pramenů
Mikroby z extrémů Země také napovídají, kam stojí za to přistát s budoucími misemi. Pokud určitý typ bakterie obzvlášť dobře funguje ve slaných ledech, podobné ledové nánosy na Marsu se pro vědce stávají prioritou. Univerzity v Kalifornii nebo Mnichově už dnes testují detekční přístroje právě na základě těchto poznatků.
Můžeme záměrně poslat život na jiné planety
Rostoucí znalost extremofilů otevírá citlivé téma: záměrné vysílání mikroorganismů do vesmíru, aby se „otestovaly“ jejich šance na přežití. Část badatelů to vnímá jako riskantní, protože hrozí kontaminace cizích prostředí pozemskými formami života. Jiní navrhují, že kontrolované experimenty v uzavřených orbitálních modulech mohou mnoho objasnit bez takového nebezpečí.
K tomu přistupuje druhý problém: jak se ujistit, že případné stopy života na Marsu skutečně pocházejí odtamtud, a nejsou příchozími z našich raket. I zde pomáhá znalost extremofilů. Lépe rozumíme-li tomu, které druhy a v jaké formě mohou přežít cestu vesmírem, můžeme účinněji sterilizovat přístroje a odlišit kontaminaci od skutečně cizího organismu. Výzkumníci z Japonska nedávno publikovali studii popisující bakterie Deinococcus radiodurans, které přežily tři roky na vnější straně Mezinárodní vesmírné stanice.
Jak tyto výzkumy ovlivňují náš každodenní život
Ačkoli téma zní jako science fiction, důsledky pocítíš velmi přízemním způsobem. Enzymy od extremofilů umožňují prát v nižší teplotě, čímž omezují účty za elektřinu. Biopaliva z odpadů mohou snížit závislost hospodářství na ropě. „Mikroeldorádo“ v podobě bakterií vázajících těžké kovy zrychluje čištění kontaminovaných průmyslových areálů.
Zároveň každé lepší pochopení hranic života nám dovoluje kritičtěji se podívat na vlastní planetu. Země není sterilní koule s tenkou vrstvou života na povrchu, ale aktivní systém, ve kterém mikroorganismy pronikají prakticky do všech zón – od jádra ledovců po hluboké trhliny ve skalách. Univerzita v Coloradu nedávno objevila bakterie žijící tři kilometry pod povrchem v žule.
Pro laiky mohou pojmy jako astrobiologie nebo syntetická biologie znít vzdáleně. V praxi však vědci, kteří se učí od mikroorganismů z extrémů, pracují současně na levnější energii, čistší vodě, účinnějších lécích a lepším plánu hledání života mimo naši planetu. Tato nenápadná bakteriální „elita“ z horkých pramenů a ledových pouští se stala jedním z nejcennějších nástrojů současné vědy – propojuje laboratoř, průmysl a kosmický výzkum v jeden, stále soudržnější obraz. Možná právě díky nim brzy zjistíme, zda jsme ve vesmíru opravdu sami.
