Varför jordens mikrober avslöjar om liv finns på andra planeter

Från mikroskop till stjärnorna

Forskare vänder i dag blicken bort från teleskopen och istället ner i mikroskopen, riktade mot organismer som lever i vår planets mest fientliga vrår. Det är exakt dessa varelser som börjar sätta nya standarder inom astrobiologi och ger oss ledtrådar till vad vi ska leta efter på Mars och de istäckta månarna.

Mikroorganismer som överlever där alla andra livsformer ger upp håller på att bli nyckeln till att förstå hur liv kan existera i universum. Dessa extrema bakterier och arkéer klarar förhållanden som skulle döda en människa på några sekunder.

Vad är egentligen extremofiler?

På vår planet finns det organismer som kan simma i syra, överleva strålningsdoser som är dödliga för människor och förbli intakta vid temperaturer där de flesta proteiner helt enkelt koagulerar. De kallas extremofiler – mikrober specialiserade på att leva på gränsen till vad som biologiskt sett är möjligt.

I åratal betraktades de bara som en kuriös undantagsföreteelse. De lever i hydrotermala skorstenar på havsbotten, i varma källor, i glaciärer, i starkt salthaltiga sjöar eller i klippor flera kilometer under ytan. Nu har de blivit huvudpersoner i ytterst seriös forskning. Ett forskarteam vars resultat beskrivs i tidskriften Frontiers in Microbiology visar att dessa organismer samtidigt kan bidra till skyddet av jordens biosfär och till jakten på liv utanför vår planet.

Extremofiler producerar specialiserade enzymer som inte bryts ner under förhållanden där vanliga proteiner för länge sedan skulle ha gett upp. Det är naturliga verktyg, anpassade till extrema temperatur-, tryck- och kemiska miljöer.

Hur extremofiler förändrar industri och vardagsliv

Forskarna kallar dem extremoenzymer. Tack vare ett av dessa enzymer – ett värmestabilt DNA-polymeras från en bakterie i varma källor i Yellowstone – är det dagliga PCR-testet möjligt idag. Samma princip, nämligen extraordinär stabilitet under atypiska förhållanden, gör extrema mikrober idealiska för industriella och miljömässiga tillämpningar.

Det låter som science fiction, men spår av denna mikroarmé hittar vi faktiskt hemma. Enzymer från extremofiler ökar effektiviteten hos tvättmedel och gör det möjligt att tvätta effektivt vid lägre temperaturer. Det innebär lägre energiförbrukning, lägre elräkningar och minskade CO₂-utsläpp.

Andra stammar av mikroorganismer är utmärkta på att bryta ner hårda växtdelar. Det gör processen att omvandla jordbruksavfall till biobränslen både enklare och billigare. Istället för att bränna halm eller andra rester kan man producera flytande bränslen med ett markant lägre klimatavtryck.

Särskilt imponerande är de mikrober som under laboratorium- och fältförhållanden kan binda och omvandla tungmetaller. Det handlar bland annat om:

• Kvicksilver – extremt giftigt, som avsätts i jord och bottensediment
• Kadmium och bly – farliga för nervsystemet och blodbildningen
• Krom och nickel – ofta närvarande i industriavfall
• Arsenik – förekommer i förorenade dricksvattenkällor
• Koppar och zink – i för stora mängder skadliga för både växter och djur

Dessa förmågor utnyttjas i biosanering – rening av förorenade områden med hjälp av levande organismer istället för tung kemi. Istället för att transportera tusentals ton jord till specialdeponi kan man på ett kontrollerat sätt sätta in lämpligt utvalda bakterier och svampar.

Varför är extremofiler svåra att odla i laboratoriet

Det finns ett grundläggande problem: många extremofiler låter sig inte enkelt odlas i ett standardlaboratorium. Organismer som är vana vid trycket flera kilometer under vatten eller vid starka syror trivs helt enkelt inte i kolvar som står på en arbetsbänk.

Därför använder forskare i allt större utsträckning syntetisk biologi och datormodellering. Istället för att fysiskt återskapa förhållandena från havets botten 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 kommer att reagera på en genetisk förändring eller en ändring i näringsmediet, innan forskaren utför ett enda verkligt försök.

Genom att kombinera dessa modeller med precisa genredigeringstekniker som CRISPR kan forskarteam modifiera bakterier på mycket målinriktat sätt. Det är till exempel möjligt att:

• Förstärka produktionsvägen för ett specifikt kemiskt ämne
• Dämpa en gen som ansvarar för produktion av toxiner
• Tillföra gener från en annan extremofil för att öka motståndskraften mot temperatur eller salthalt
• Optimera ämnesomsättningen för produktion av biologiskt nedbrytbar plast
• Skapa stammar som producerar nya antibiotika eller enzymer till den farmaceutiska industrin
• Öka effektiviteten hos avloppsvattenrening med högt organiskt innehåll

Resultatet är mikrofabriker som producerar nya antibiotika, biologiskt nedbrytbara material eller precisa kemiska katalysatorer – allt under förhållanden som är långt vänligare mot miljön än den klassiska kemiska industrin.

Vad varma källor har gemensamt med Mars yta

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

Mars, Europa (Jupiters måne) och Enceladus (Saturnus måne) är objekt där extrema förhållanden råder: låga temperaturer, hög strålning, frånvaro av syre, hög saltkoncentration och ibland underjordiska oceaner. Låter det bekant? För många jordiska extremofiler är svaret definitivt ja.

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 har uppstått på en liknande plats i rymden. Forskarna lär sig därför att känna igen de spår som sådana organismer lämnar efter sig: förändringar i bergarters kemiska sammansättning, karakteristiska isotopmönster och specifika organiska molekyler. På denna grund utvecklas instrument till rovers och rymdsonder samt strategier för provtagning.

Extremofiler fungerar därmed som levande vägledningar som ingenjörer hos NASA, ESA och andra rymdorganisationer använder för att planera framtida uppdrag. Tack vare studier av mikroorganismer från isländska geysirer, de chilenska saltsjöarna i Atacama och de antarktiska subglaciala sjöarna som Don Juan Pond vet vi bättre var och hur vi ska leta.

Hur mikrober förändrar planerna för rymduppdrag

Analysen av extremofiler påverkar många faser av uppdragsplaneringen. Valet av landningsplats prioriterar regioner som liknar kända jordiska saltsjöar, glaciärer eller vulkaniska områden. Konstruktionen av instrument utformas så att spektrometrar och mikroskop kan registrera små förändringar i den kemiska sammansättningen som är typisk för mikroorganismers aktivitet.

Strategier för provtagning omfattar planer på att borra djupare under ytan, där bergarter och is bättre skyddar eventuella celler mot kosmisk strålning. Ingenjörerna hämtar inspiration från hur jordiska extremofiler överlever i underjordiska rum under chilenska saltslätter eller på djupet i de sydafrikanska gruvorna vid Mponeng.

Baserat på data från extremofilforskning utvecklas också de så kallade prioriterade biosignaturerna – en samling egenskaper som är särskilt viktigt att övervaka under framtida uppdrag. Målet är inte att abstrakt leta efter liv i allmänhet, utan efter mycket konkreta mönster som är kända från extrema ekosystem på jorden. Det omfattar exempelvis specifika isotopförhållanden för kol, svavel eller kväve, närvaron av vissa lipider eller karakteristiska mikroskopiska strukturer i bergarter.

Vad extremofiler lär oss om själva definitionen av liv

Forskningen kring dessa ovanliga mikroorganismer väcker en obehaglig fråga: är vår klassiska förståelse av liv kanske för snäv? Skolornas biologi har vant oss vid att organismer kräver måttliga temperaturer, flytande vatten och en relativt vänlig miljö. Samtidigt motsäger nyupptäckta stammar denna intuition.

Vulkaniska sjöar med ett pH-värde som kan jämföras med syran i ett bilbatteri, glaciärer där vatten nästan aldrig smälter, eller saltlager så täta att de skulle förstöra de flesta celler – det är för vissa mikroorganismer en fullkomligt behaglig miljö. Det betyder att det i solsystemet kan existera långt fler nischer där det är värt att leta efter biologiska signaler.

Detta skifte i tänkandet påverkar också designen av framtida rymdteleskop och forskningsuppdrag utanför solsystemet. I jakten på jordlika planeter överväger forskare nu ett bredare spektrum av temperaturer, atmosfärisk sammansättning och geologi än för tio år sedan. Upptäckterna av extremofiler utvidgar gränserna för den så kallade beboeliga zonen runt stjärnor och ökar antalet potentiellt intressanta exoplaneter.

Extremofiler i vardagen och i klimatdebatten

Ämnet verkar kosmiskt, men är ändå nära förbundet med de problem vi står inför här och nu. Ett föränderligt klimat, ökande luft- och jordförorening samt en växande efterfrågan på energi kräver nya teknologiska lösningar. Mikroorganismer som klarar temperaturer och salthalt som kanske blir vanligare under de kommande årtiondena erbjuder naturliga verktyg för anpassning.

Med deras hjälp kan man designa produktionslinjer skapade speciellt för extrema förhållanden – exempelvis för torra regioner där det saknas vatten av hög kvalitet. Tack vare arbete vid lägre temperaturer eller med större variation i parametrar blir industriella processer mer flexibla. Vissa extremofilstammar kan producera biobränslen av avfallsbiomassa även i ökenområdena i Sahel eller det australiensiska inlandet, där klassisk teknologi skulle svikta.

Det är också värt att nämna riskerna. Manipulation av extremofilers genom och skapandet av hybrider med hittills osedd motståndskraft kräver mycket strikta regler för biologisk säkerhet. Forskare och tillsynsmyndigheter måste löpande uppdatera regelverken för att säkerställa att innovation inte undkommer kontrollen. Både Europeiska unionen och USA inför därför nya protokoll för arbete med genetiskt modifierade extremofiler, som inkluderar stränga isolationsförfaranden och övervakning.

Extremofiler har därmed blivit något långt mer än en exotisk kuriositet från en lärobok. De förbinder laboratorier som sysslar med klimatförändringar, ingenjörer som utvecklar rymdteknik och läkare som söker efter nya läkemedel. Och samtidigt påminner de oss om att liv – inklusive det som kanske existerar utanför jorden – är i stånd att anpassa sig till förhållanden som vi för inte så länge sedan ansåg vara fullkomligt livlösa. Kanske är det just dessa bittesmå organismer som en dag kommer att avslöja att vi inte är ensamma i universum.