Mikrober från öknar och glaciärer förändrar allt vi trodde om liv i rymden

Mikroskopiska organismer omdefinierar astrobiologin

Forskare idag riktar inte enbart blicken mot teleskopen – de fokuserar på mikroskopiska varelser som trivs i planetens mest fientliga vrår. Dessa bakterier pekar ut nya vägar inom astrobiologin och ger ledtrådar om vad vi bör leta efter på Mars och på de istäckta månarna.

Extremofila mikroorganismer klarar sig där allt annat ger upp. De frodas i syror, motstår strålningsdoser som är dödliga för människor, och förstörs inte vid temperaturer där de flesta proteiner för länge sedan skulle ha koagulerat. Dessa mikrober lever på gränsen till det biologiskt möjliga och håller på att bli avgörande verktyg för både vetenskap och industri.

Från vetenskaplig kuriositet till etablerat forskningsområde

I åratal betraktades de som en intressant fotnot i vetenskapen. De finns i hydrotermiska skorstenar på havsbotten, i heta källor i Yellowstone, i Antarktis glaciärer, i kraftigt saltade sjöar och i klippor flera kilometer under jordytan. Nu har de blivit huvudrollsinnehavare i mycket seriösa studier.

Ett forskarteam vars resultat publicerades i tidskriften Frontiers in Microbiology visar att dessa organismer samtidigt kan bidra till skyddet av jordens biosfär och till letandet efter liv utanför vår planet.

Extremofiler producerar specialiserade enzymer som inte bryts ned där vanliga proteiner för länge sedan förlorat sin funktion. Forskarna kallar dessa för extremoenzymer. Det var just tack vare ett sådant enzym – en termostabil DNA-polymeras från en bakterie i de varma källorna i Yellowstone – som det vanliga PCR-testet överhuvudtaget blev möjligt.

Hur mikrober från helvetet hjälper i tvättstugan och vid framställning av biobränsle

Det kan låta som science fiction, men spåren från denna mikroarmé hittar vi faktiskt i våra hem. Enzymer utvunna från extremofiler förbättrar effektiviteten hos tvättmedel och gör det möjligt att tvätta effektivt vid lägre temperaturer. Det innebär mindre energiförbrukning, lägre elräkningar och en minskning av CO₂-utsläppen.

Andra stammar av mikroorganismer är utmärkta på att bryta ned hårdnackade växtrester. Det gör processen att omvandla jordbruksavfall till biobränsle både enklare och billigare. Istället för att bränna halm eller andra rester kan man framställa flytande bränslen med ett markant lägre koldioxidavtryck.

Särskilt imponerande är de mikrober som både under laboratorieförhållanden och i fält kan binda och omvandla tungmetaller. Det handlar bland annat om:

• Kvicksilver – extremt giftigt, avlagrat i jord och bottensediment
• Kadmium och bly – farliga för nervsystemet och blodbildningen
• Krom och nickel – ofta närvarande i industriavfall
• Arsenik – cancerframkallande halvmetall i förorenat vatten
• Koppar – skadligt för växter och djur vid för höga koncentrationer
• Zink – giftigt vid långvarig exponering för höga doser

Dessa egenskaper utnyttjas inom bioremediation – det vill säga sanering av förorenade områden med hjälp av levande organismer istället för tung kemi. Istället för att transportera bort tusentals ton jord till särskilda deponier kan man kontrollerat införa noggrant utvalda bakterier och svampar.

Hur forskare tämjde mikrober med hjälp av datormodeller och genredigering

Det finns dock ett grundläggande problem: många extremofiler kan inte enkelt odlas i ett standardlaboratorium. Organismer vana vid trycket flera kilometer under vattnet eller vid starka syror trivs helt enkelt inte i kolvar på ett laboratoriebord.

Därför tillgriper forskare alltmer verktyg från syntetisk biologi och datorsimulering. Istället för att fysiskt återskapa förhållandena från havsbotten bygger de precisa metaboliska modeller av hela celler – de så kallade GEM (genome-scale metabolic models). GEM-simuleringar gör det möjligt att förutsäga hur en mikroorganism reagerar på en genetisk förändring eller en ändring i näringsmediet, innan forskaren utför ett enda verkligt experiment.

Genom att kombinera dessa modeller med precisa genredigeringstekniker som CRISPR modifierar forskarteam bakterier på mycket målinriktat sätt. Man kan till exempel förstärka den metaboliska vägen för produktion av ett visst kemiskt ämne, dämpa en gen som är ansvarig för giftproduktion, eller tillföra gener från en annan extremofil för att öka motståndet mot temperatur eller salthalt.

Resultatet är mikrofabriker som producerar nya antibiotika, biologiskt nedbrytbara material eller precisa kemiska katalysatorer – allt under förhållanden som är skonsamma mot miljön jämfört med den klassiska kemiska industrin. Forskare från University of Maryland presenterade nyligen en modifierad stam av Deinococcus radiodurans som kan bryta ned plastrester även vid hög strålning.

Vad heta källor och Mars yta har gemensamt

En central del av teamets arbete handlar om att tillämpa dessa insikter utanför vår planet. Extremofiler lever bland annat i kraftigt saltade sjöar, i djupa grottor, under glaciärer och i vulkaniska fumaroler. Många astrobiologer betraktar sådana platser som naturliga analoger till främmande miljöer i rymden.

Mars, Europa (Jupiters måne) och Enceladus (Saturnus måne) är objekt präglade av extrema förhållanden: låga temperaturer, hög strålning, frånvaro av syre, stark saltkoncentration och ibland närvaro av underjordiska oceaner. Låter det bekant? För många jordiska extremofiler är det fullkomligt normalt.

Om en bakterie på jorden kan leva i en mörk, varm vulkanisk spricka utan tillgång till syre och ljus, ökar sannolikheten för att enkla livsformer också uppstått i en liknande kosmisk miljö. Forskare lär sig därför att känna igen de spår sådana organismer lämnar efter sig: förändringar i bergarters kemiska sammansättning, karakteristiska mönster i isotoper och specifika organiska molekyler. Mot den bakgrunden utvecklas instrument till rovers och rymdsonder samt strategier för provtagning.

NASA planerar som en del av uppdraget Mars Sample Return att använda spektrometrar designade just utifrån insikter från forskning om extremofila kolonier i den chilenska öknen Atacama. Den Europeiska rymdorganisationen ESA testar borrutrustning på glaciären Vatnajökull på Island, där mikrobiologer identifierat bakterier som lever under förhållanden motsvarande Europas måne.

Hur mikrober förändrar reglerna för planering av rymdfartsmissioner

Analysen av extremofiler påverkar många faser av uppdragsplaneringen. Valet av landningsplats prioriterar regioner som påminner om kända jordiska saltsjöar, glaciärer eller vulkaniska områden. Instrumenten konstrueras så att spektrometrar och mikroskop kan registrera små förändringar i kemisk sammansättning som är typiska för mikroorganismers aktivitet.

Strategier för provtagning rör sig mot djupare borrningar under ytan, där bergarter och is bättre skyddar eventuella celler mot kosmisk strålning. Ingenjörer från California Institute of Technology har designat en robotarm som kan borra upp till tre meter under Mars yta – inspirerad av studier av bakterier i djupa borrningar i Grönland.

Baserat på data från extremofilforskning uppstår också så kallade prioriterade biosignaturer – en uppsättning kännetecken som är särskilt värdefulla att övervaka under framtida missioner. Målet är inte abstrakt att leta efter liv i allmänhet, utan efter mycket konkreta mönster kända från extrema ekosystem på jorden. Forskare från University of Edinburgh har sammanställt en databas med mer än tvåhundra kemiska markörer som är typiska för extremofila archaeas metabolism.

Vad extremofiler lär oss om livets möjligheter i hela universum

Forskningen om dessa ovanliga mikroorganismer leder till en obehaglig fråga: är vår klassiska uppfattning om liv kanske alldeles för snäv? Läroboken har vant oss vid att organismer kräver moderata temperaturer, vatten i flytande tillstånd och en relativt mild miljö. Nyupptäckta stammar motsäger dock denna intuition.

Vulkaniska sjöar med ett pH-värde jämförbart med syran från ett bilbatteri, glaciärer där vattnet nästan aldrig smälter, eller saltlager så täta att de skulle förstöra de flesta celler – det är för vissa mikroorganismer fullkomligt bekväma levnadsmiljöer. Det betyder att det i solsystemet kan finnas långt fler nischer där man kan söka efter biologiska signaler.

Denna förändring i tänkandet påverkar också designen av framtida rymdteleskop och forskningsuppdrag utanför solsystemet. Vid sökandet efter jordliknande planeter tar forskare alltmer hänsyn till ett bredare spektrum av temperaturer, atmosfäriska sammansättningar och geologier än för bara tio år sedan. James Webb Space Telescope kartlägger aktivt exoplaneter med höga koncentrationer av metan och svavelväte – gaser förknippade med extremofila mikroorganismers aktivitet.

Varför extremofiler är avgörande för lösningen av klimatkrisen

Ämnet låter kosmiskt, men hänger mycket starkt samman med problem här och nu. Det förändrade klimatet, den stigande föroreningsnivån av luft och jord samt den växande efterfrågan på energi kräver nya teknologiska lösningar. Mikroorganismer som tål temperaturer och saltkoncentrationer som kan bli mer utbredda under de kommande årtiondena erbjuder naturliga anpassningsverktyg.

Med deras hjälp kan man designa produktionslinjer speciellt beräknade för mer extrema förhållanden – till exempel i torra regioner där det saknas rent vatten. Tack vare arbete vid lägre temperaturer eller med större variation i parametrar blir industriella processer mer flexibla. Företaget Novozymes säljer redan idag enzymer från extremofiler till textilindustrin i Indien och Bangladesh, där de lokala förhållandena komplicerar normala färgningsprocesser.

Det är också värt att nämna riskerna. Manipulation av extremofilers genom och skapandet av hybrider med hittills osedda motståndsförmågor kräver mycket strikta regler för biologisk säkerhet. Forskare och tillsynsmyndigheter måste löpande uppdatera regelverken så att innovationerna inte slipper ifrån kontrollen. Det finns knappast en bättre tidpunkt än nu att reflektera över detta gemensamt och stödja ansvarsfull forskning.