Snášejí teploty blízké varu, kyseliny i záření. Vědci věří, že právě tyto organismy nám napoví, kde a jak hledat biologické stopy na Marsu či ledových měsících plynných obrů.
Nenápadné mikroorganismy z nejnehostinnějších koutů planety se dnes stávají hvězdami laboratoří, průmyslu, ekologie i kosmického výzkumu. Nové analýzy ukazují, že bez jejich účasti bude těžké pochopit, jak by mohla vypadat živá hmota na Marsu nebo na ledových měsících Jupiteru a Saturnu.
Vědci je označují jako extremofily. Jde o bakterie a další mikroby, které extrémní podmínky netolerovaly jen přežívají, ale přímo je potřebují: velmi vysoké nebo velmi nízké teploty, obrovský tlak, silné zasolení, kyseliny nebo intenzivní záření. Najdeš je v prostředích, která by laik považoval za absolutně mrtvá – v hydrotermálních komínech na dně oceánů, v horkých pramenech, v permafrostu, v hlubokých dolech i ve skalách polárních oblastí. Místní „mikrofauna“ si v takových podmínkách vede překvapivě dobře.
Klíčem k jejich úspěchu jsou specializované molekuly, například takzvané extremozmy. Tyto enzymy fungují tam, kde by běžné proteiny dávno ztratily strukturu. Udržují stabilitu v teplotách blízkých varu, v silně zásaditém roztoku nebo pod obrovským tlakem. Tyto mikroorganismy dokazují, že hranice života na Zemi leží mnohem dál, než se předpokládalo ještě před několika desítkami let – a právě to zajímá astrobiology.
Jak extremofily pomáhají průmyslu i lékařství
Extremofily znějí jako kuriozita z učebnice biologie, v praxi ale už fungují v medicíně a průmyslu. Populární PCR test, který se během pandemie dostal do běžného slovníku, využívá enzym pocházející z bakterie žijící v horkých pramenech v Yellowstonu. Kdyby se použil „běžný“ enzym, vysoká teplota reakce by ho okamžitě zničila.
Podobných příkladů existuje mnoho. Enzymy izolované z extremofilů se používají například v prací práškách a kapslích, aby účinně fungovaly v chladné vodě, v procesech přeměny zemědělského odpadu na biopaliva, v zařízeních čistících půdu a vodu od těžkých kovů nebo ve výrobě potravin, kde je nutné zachovat aktivitu enzymů za velmi náročných výrobních podmínek.
V ochraně životního prostředí tyto mikroby nabízejí ještě něco navíc: rozkládají toxické látky, vážou těžké kovy a někdy dokonce „odemykají“ kontaminovaná místa tak, aby tam mohly znovu růst rostliny. Jde o přirozenou formu bioremediace, kterou laboratoře zlepšují a škálují pro širší použití. Vědci z University of California zdůrazňují, že tyto organismy mohou snížit náklady na sanace až o třetinu.
Může biologie syntetická zkrotit život z extrémů
Studovat organismy zvyklé na dno oceánu nebo vroucí vodu představuje logistickou noční můru. Napodobit takové podmínky v laboratoři je finančně i technicky náročné. Tým popsaný v práci z časopisu Frontiers in Microbiology proto volí jinou cestu: využívá syntetickou biologii a počítačové modelování.
Vědci vytvářejí takzvané metabolické modely celého genomu neboli GEM. Jde o digitální ekvivalenty buněk, v nichž lze ověřit, jak změna jednoho genu ovlivní fungování celého organismu. Na základě toho navrhují úpravy DNA a nástroje editace, jako je CRISPR, umožňují zavést je do skutečných mikroorganismů. Spojení umělé inteligence, metabolického modelování a precizní editace genů mění extremofily v mikrofabriky navržené pro konkrétní úkoly.
Takto vylepšené mikroby moують produkovat léčiva odolná vůči vysokým teplotám, plasty z obnovitelných zdrojů, enzymy pro textilní průmysl nebo aminokyseliny používané ve farmacii. Badatelé podkreslují, že tímto způsobem lze současně snížit náklady průmyslových procesů i jejich emise, protože reakce probíhají v mírnějších podmínkách při menší spotřebě energie a chemikálií. Laboratoře v Německu a Japonsku již testují komerční využití těchto upravených kmenů.
Proč se extremofily zajímají marťanské rovery
Nejpřitažlivější část nových analýz se týká vesmíru. Pokud na Zemi existují bakterie snášející extrémní podmínky, roste šance, že nějaké formy života zvládají prostředí na jiných planetách a měsících. Astrobiologové používají pozemská extrémní prostředí jako cvičiště.
Horké prameny, slaniska, ledové pouště nebo hluboké jeskyně simulují situace, jaké lze očekávat na Marsu, na měsíci Europa nebo Enceladus. Kamery, vrtáky a senzory, které posíláme do vesmíru, vznikají dnes už s myšlenkou 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.
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 neobvyklé nahromadění některých prvků. Díky tomu kosmické mise „nehledají život“ obecně, ale cílí na konkrétní známky.
Co hledat na Marsu a ledových měsících
Mikroby z extrémních prostředí Země napovídají také, kde stojí za to přistát s budoucími misemi. Pokud určitý typ bakterií obzvlášť dobře zvládá slané ledy, podobné ledové oblasti na Marsu se pro vědce stávají prioritou.
Výzkumníci z NASA a Evropské kosmické agentury se zaměřují na tyto konkrétní indikátory:
- přítomnost organických sloučenin stabilních v nízké teplotě
- minerální vzorce spojené s dřívější aktivitou mikroorganismů
- jinak nevysvětlitelné rozdíly v poměru izotopů uhlíku nebo síry
- stopy po dřívějších hydrotermálních systémech, v nichž se život na Zemi mimořádně dobře daří
- výskyt solí typických pro prostředí s mikrobiální aktivitou
- anomálie v distribuci dusíku a fosforu
- specifické organické polymery odolné vůči UV záření
- biofilmy zachované v křemičitých usazeninách
Laboratoře v Arizoně a Utahu testují prototypy nástrojů pro detekci těchto biosignatur v podmínkách simulujících Mars. Vědci z Massachusetts Institute of Technology používají extremofily z Atacamské pouště jako referenční model pro marťanské prostředí.
Je možné záměrně poslat život na jiné planety
Rostoucí znalost o extremofilech otevírá citlivé téma: záměrné vysílání mikroorganismů do vesmíru za účelem „testování“ jejich šancí na přežití. Část badatelů to vnímá jako rizikové, protože hrozí kontaminace cizích prostředí pozemskými formami života. Jiní navrhují, že kontrolované experimenty v uzavřených orbitálních modulech mohou mnoho objasnit bez takového nebezpečí.
Přistupuje další problém: jak se ujistit, že případné stopy života na Marsu skutečně pocházejí odtamtud, a nejsou to příchozí 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 vybavení a odlišovat kontaminaci od skutečně cizího organismu. Protokoly Mezinárodní komise pro planetární ochranu se právě na těchto poznatcích zakládají.
Jak tyto objevy ovlivňují každodenní život
Ačkoli téma zní jako science fiction, důsledky pocítíš velmi přízemním způsobem. Enzymy od extremofilů umožňují prát v nižší teplotě a snižovat účty za elektřinu. Biopaliva z odpadů mohou omezit závislost ekonomiky na ropě. Bakterie vázající těžké kové zrychlují sanaci kontaminovaných průmyslových lokalit.
Současně každé lepší pochopení hranic života nám umožňuje kritičtěji se dívat na vlastní planetu. Země není sterilní koule s tenkou vrstvou života na povrchu, ale aktivní systém, v němž mikroorganismy pronikají prakticky do všech zón – od jádra ledovců po hluboké pukliny ve skalách. Pro laiky mohou pojmy jako astrobiologie nebo syntetická biologie znít vzdáleně. V praxi 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 – spojuje laboratoř, průmysl a kosmický výzkum v jeden stále soudržnější obraz.
