Vědci se dnes nezabývají jen teleskopy, ale především mikroskopickými organismy žijícími v nejnepřátelštějších koutech naší planety. Právě tyto bakterie vytyčují nové směry v astrobiologii a napovídají, co hledat na Marsu či ledových měsících.
Extremofilní mikroorganismy přežívají tam, kde vše ostatní zahyne. Dokážou plavat v kyselině, snášejí dávky záření smrtelné pro člověka a nerozpadají se při teplotách, kdy většina bílkovin dávno koaguluje. Tyto mikroby žijí na hranici biologicky možného a dnes se z nich stávají klíčové nástroje pro vědu i průmysl.
Po celá léta platily za zajímavost z okraje vědy. Vyskytují se v hydrotermálních komínech na dně oceánů, v horkých pramenech Yellowstone, v ledovcích Antarktidy, v silně zasolených jezerech nebo ve skalách několik kilometrů pod povrchem. Nyní se však stávají hrdinkami velmi vážných studií. Tým vědců, jehož výsledky publikoval časopis Frontiers in Microbiology, ukazuje, že tyto organismy mohou současně pomoct v ochraně zemské biosféry i při hledání života mimo naši planetu.
Extremofily produkují specializované enzymy, které se nerozpadají tam, kde běžné bílkoviny již dávno ztratily funkci. Jde o přirozené nástroje přizpůsobené extrémním teplotám, tlakům a chemickému složení prostředí. Výzkumníci je označují jako extremoenzymy. Právě díky jednomu takovému enzymu – termostabilní DNA polymeráze z bakterie žijící v horkých pramenech Yellowstone – je dnes možný běžný test PCR.
Jak mikroby z pekla pomáhají v prádelně i při výrobě biopaliv
Ačkoli to zní jako science fiction, stopy této mikroarmády máme doma. Enzymy pocházející z extremofilů podporují účinnost pracích prášků a umožňují efektivně prát při nižších teplotách. To znamená menší spotřebu energie, nižší účty za elektřinu, ale také redukci emisí oxidu uhličitého.
Jiné kmeny mikroorganismů skvěle zvládají rozklad tvrdých rostlinných zbytků. Díky tomu se proces přeměny zemědělských odpadů na biopaliva stává jednodušší a levnější. Místo spalování slámy či jiných zbytků lze z nich vyrobit tekutá paliva s výrazně menší uhlíkovou stopou.
Obzvlášť působivé jsou mikroby, které v laboratorních i terénních podmínkách dokážou vázat a přeměňovat těžké kovy. Jde mimo jiné o:
- rtuť – extrémně toxickou, usazenou v půdách a dnových sedimentech
- kadmium a olovo – nebezpečné pro nervový systém a krvetvorbu
- chrom a nikl – často přítomné v průmyslových odpadech
- arsen – karcinogenní polokov hojný v kontaminovaných vodách
- měď – v nadměrných koncentracích škodlivá pro rostliny i živočichy
- zinek – toxický při dlouhodobém působení vyšších dávek
Tyto schopnosti se využívají v bioremediaci, tedy čištění kontaminovaných lokalit za použití živých organismů namísto těžké chemie. Místo odvážení tisíců tun půdy na speciální skládky lze kontrolovaně nasadit správně vybrané bakterie a houby.
Jak vědci zkrotili mikroby pomocí počítačových modelů a editace genů
Existuje jeden zásadní problém: mnoho extremofilů nelze snadno pěstovat ve standardní laboratoři. Organismy zvyklé na tlak panující několik kilometrů pod vodou nebo na silné kyseliny se prostě v baňkách na laboratorním stole necítí dobře.
Proto badatelé stále častěji sahají po nástrojích syntetické biologie a počítačového modelování. Namísto fyzického vytváření podmínek z oceánského dna vytvářejí přesné metabolické modely celých buněk, takzvané GEM (genome-scale metabolic models). Simulace GEM umožňují ověřit, jak mikroorganismus zareaguje na změnu genu či složení živného média, ještě předtím než vědec provede jediný reálný experiment.
Kombinací těchto modelů s technikami precizní editace genů, jako je CRISPR, výzkumné týmy modifikují bakterie velmi cíleným způsobem. Lze například posílit metabolickou dráhu produkce určité chemické látky, utlumit gen zodpovědný za tvorbu toxinů nebo přidat geny pocházející z jiného extremofila, aby se zvýšila odolnost vůči teplotě nebo zasolení.
Výsledkem jsou mikrofabriky, které produkují nová antibiotika, biodegradovatelné materiály či precizní chemické katalyzátory. To vše za podmínek šetrnějších k životnímu prostředí než klasický chemický průmysl. Vědci z univerzity v Marylandu nedávno představili upravený kmen Deinococcus radiodurans, který dokáže rozložit plastové zbytky i při vysokém ozáření.
Co mají společného horké prameny s povrchem Marsu
Klíčová část práce týmu se týká využití těchto poznatků mimo naši planetu. Extremofily žijí mimo jiné v silně zasolených jezerech, v hlubokých jeskyních, pod ledovci a ve vulkanických fumarolách. Mnoho astrobiologů považuje taková místa za přirozené analogy mimozemských prostředí.
Mars, Europa (měsíc Jupiteru) či Enceladus (měsíc Saturnu) jsou objekty, kde panují extrémní podmínky: nízké teploty, vysoké záření, absence kyslíku, silné zasolení, někdy i přítomnost podpovrchových oceánů. Zní to povědomě? Pro mnoho pozemských extremofilů naprosto běžně.
Pokud bakterie na Zemi dokáže žít v temné, horké vulkanické trhlině bez přístupu kyslíku a světla, roste šance, že někde v podobném kosmickém prostředí se také objevily jednoduché formy života. Badatelé se proto učí rozpoznávat stopy, které takové organismy zanechávají: změny v chemickém složení hornin, charakteristické vzorce v izotopech, specifické organické molekuly. Na základě toho se navrhují přístroje pro rovery a kosmické sondy, stejně jako strategie odběru vzorků.
NASA plánuje v rámci mise Mars Sample Return použít spektrometry navržené právě podle poznatků z výzkumu extremofilních kolonií v chilské poušti Atacama. Evropská kosmická agentura ESA testuje vrtné zařízení na ledovci Vatnajökull na Islandu, kde mikrobiologové identifikovali bakterie žijící v podmínkách podobných měsíci Europa.
Jak mikroby mění pravidla pro projektování kosmických misí
Analýza extremofilů ovlivňuje mnoho etap plánování misí. Výběr místa přistání dává prioritu regionům připomínajícím známá pozemská solná jezera, ledovce či vulkanické oblasti. Konstrukce přístrojů probíhá tak, aby spektrometry a mikroskopy dokázaly detekovat drobné změny v chemickém složení typické pro aktivitu mikroorganismů.
Strategie odběru vzorků se mění směrem k hlubším vrtům pod povrch, kde horniny a led lépe chrání případné buňky před kosmickým zářením. Inženýři z Kalifornského technologického institutu navrhli robotické rameno schopné vrtat až tři metry pod povrch Marsu, inspirováno studiem bakterií v hlubokých vrtech v Grónsku.
Na základě dat z výzkumu extremofilů vznikají také takzvané prioritní biosignatury – soubor znaků, které je zvlášť vhodné sledovat během budoucích misí. Cílem není hledat abstraktně život obecně, ale velmi konkrétní vzorce známé z extrémních ekosystémů na Zemi. Výzkumníci z univerzity v Edinburghu sestavili databázi více než dvou set chemických markerů typických pro metabolismus extremofilních archaea.
Co nás extremofily učí o možnostech života v celém vesmíru
Výzkum těchto neobyčejných mikroorganismů vede k nepříjemné otázce: není naše klasické chápání života příliš úzké? Školní biologie nás zvykla na to, že organismy potřebují umírněnou teplotu, vodu v tekutém skupenství a relativně mírné prostředí. Mezitím nově objevované kmeny tuto intuici vyvracejí.
Vulkanická jezera s pH srovnatelným s kyselinou z autobaterie, ledovce, kde se voda prakticky neroztává, nebo solanky tak husté, že by ničily většinu buněk – to jsou pro část mikroorganismů zcela komfortní biotopy. To znamená, že ve Sluneční soustavě může existovat mnohem více nik, kde lze vést hledání biologických signalů.
Tato změna myšlení ovlivňuje i návrh budoucích kosmických teleskopů a výzkumných misí mimo Sluneční soustavu. Při hledání planet podobných Zemi vědci stále častěji berou v úvahu širší rozsah teplot, složení atmosféry a geologie než ještě před deseti lety. Teleskop James Webb Space Telescope aktivně mapuje exoplanety s vysokými koncentracemi metanu a sirovodíku, plynů spojených s aktivitou extremofilních mikroorganismů.
Proč jsou extremofily klíčové i pro řešení klimatické krize
Téma zní kosmicky, ale velmi silně souvisí s problémy tady a teď. Měnící se klima, rostoucí znečištění ovzduší a půdy i zvyšující se poptávka po energii vyžadují nová technologická řešení. Mikroorganismy, které vydržují teploty a zasolení, jež se mohou stát běžnějšími v nadcházejících dekádách, nabízejí přirozené nástroje adaptace.
S jejich využitím lze navrhovat výrobní linky určené speciálně pro extrémnější podmínky, například pro suché regiony, kde chybí kvalitní voda. Díky práci při nižších teplotách či při větší variabilitě parametrů se průmyslové procesy stávají pružnějšími. Společnost Novozymes už dnes prodává enzymy z extremofilů pro textilní průmysl v Indii a Bangladéši, kde místní podmínky komplikují běžné procesy barvení.
Stojí za zmínku i rizika. Manipulace s genomem extremofilů, vytváření hybridů s dosud nevídanou odolností vyžaduje velmi přísná pravidla biologické bezpečnosti. Vědci a regulátoři musí průběžně aktualizovat předpisy, aby inovace neunikly kontrole. Není snad lepší doba než teď, abychom se nad tím společně zamysleli a podpořili zodpovědný výzkum.
