Forskare studerar idag inte teleskop, utan mikroskopiska organismer som lever i de mest fientliga hörnen av vår planet. Dessa extremofila mikrober pekar ut nya riktningar inom astrobiologi och visar vad vi ska leta efter på Mars och på isiga månar.

Vår planet hyser organismer som kan simma i syra, motstå stråldoser som skulle vara dödliga för människor och överleva vid temperaturer där de flesta proteiner helt enkelt koagulerar. Dessa så kallade extremofila mikrober är specialiserade på att leva på gränsen för det biologiskt möjliga.

I åratal betraktades de som en kuriositet. De lever i hydrotermiska skorstenar på havsbotten, i varma källor, i glaciärer, i starkt salthaltiga sjöar och i klippor flera kilometer under jordytan. Nu har de blivit föremål för mycket seriös forskning. Ett forskarteam vars resultat beskrivs i tidskriften Frontiers in Microbiology visar att dessa organismer samtidigt kan hjälpa till att skydda jordens biosfär och att söka efter liv utanför vår planet.

Extremofiler producerar specialiserade enzymer som inte bryts ner i miljöer där vanliga proteiner för länge sedan skulle ha gått under. Dessa naturliga verktyg är anpassade till extrema temperaturer, tryck och kemiska förhållanden. Forskare kallar dem extremoenzymer. Det är just tack vare ett sådant enzym, ett värmestabilt DNA-polymeras från bakterier i Yellowstones varma källor, som det idag utbredda PCR-testet är möjligt. Samma princip, extraordinär stabilitet under ovanliga förhållanden, gör extrema mikrober idealiska för industriella och miljömässiga tillämpningar.

Från tvättmedel till biobränsle och marksanering

Även om det låter som science fiction har vi spår av denna mikroarmé i våra hem. Enzymer från extremofila mikrober stödjer tvättmedlens verkan och gör det möjligt att tvätta effektivt vid lägre temperaturer. Det innebär lägre energiförbrukning och billigare räkningar, men också reducerade utsläpp av koldioxid.

Andra mikrobiella stammar är utmärkta på att bryta ner hårda växtrester. Därmed blir processen att omvandla jordbruksavfall till biobränsle lättare och billigare. Istället för att bränna halm eller andra rester kan man producera flytande bränslen med ett betydligt mindre CO2-avtryck.

Särskilt imponerande är dock mikrober som under laboratorieförhållanden och fältförhållanden kan binda och omvandla tungmetaller. Det handlar bland annat om:

kvicksilver, som är extremt giftigt och anrikas i jord och bottensediment
kadmium och bly, som är farliga för nervsystemet och blodbildningen
krom och nickel, som ofta finns i industriavfall
arsenik, som förorenar grundvatten i många regioner
koppar och zink, som i höga koncentrationer skadar mikroorganismer

Dessa förmågor utnyttjas i bioremediering, alltså sanering av förorenade områden med hjälp av levande organismer istället för tung kemi. Istället för att transportera tusentals ton jord till specialdepåer kan man på kontrollerat sätt tillföra jorden noggrant utvalda bakterier och svampar.

Genteknik: så tämjs mikrober från helvetet

Det finns ett grundläggande problem. Många extremofila mikrober kan inte lätt odlas i ett standardlaboratorium. Organismer som är vana vid det tryck som råder flera kilometer under havsytan, eller vid starka syror, trivs helt enkelt inte i kolvar på laboratoriebänken.

Därför griper forskare i allt större utsträckning till verktyg från syntetisk biologi och datormodellering. Istället för att fysiskt återskapa förhållandena från havsbotten skapar de precisa metaboliska modeller av hela celler, så kallade GEM (genome-scale metabolic models). GEM-simuleringar gör det möjligt att kontrollera hur en mikroorganism kommer att reagera på en genförändring eller förändring av näringssammensättningen, innan forskaren utför bara ett enda verkligt experiment.

Genom att kombinera dessa modeller med tekniker för precis genredigering som CRISPR modifierar forskarteam bakterier på mycket målinriktat sätt. Man kan till exempel förstärka den metaboliska väg som producerar en viss kemisk förening, dämpa en gen som är ansvarig för produktion av toxiner, eller tillföra gener från en annan extremofil för att öka resistensen mot temperatur eller salthalt.

Resultatet är mikrofabriker som producerar nya antibiotika, biologiskt nedbrytbara material eller precisa kemiska katalysatorer. Allt under förhållanden som är långt mer miljövänliga än i klassisk kemisk industri. Universitet som Massachusetts Institute of Technology och University of California arbetar intensivt med att optimera dessa processer.

Vad har varma källor gemensamt med Mars yta

En avgörande del av forskarteamets arbete rör tillämpningen av denna kunskap utanför vår planet. Extremofila mikrober lever bland annat i starkt salthaltiga sjöar, i djupa grottor, under glaciärer och i vulkaniska fumaroler. Många astrobiologer betraktar sådana platser som naturliga analoger till främmande miljöer.

Mars, Europa (Jupiters måne) och Enceladus (Saturnus måne) är objekt med extrema förhållanden: låga temperaturer, hög strålning, brist på syre, hög salthalt och ibland förekomsten av underjordiska oceaner. Låter det bekant? För många jordiska extremofila mikrober är det faktiskt ganska normalt.

Om en bakterie på jorden kan leva i en mörk, varm vulkanisk spricka utan tillgång till syre och ljus, ökar chansen för att enkla livsformer också har uppstått någonstans i en liknande kosmisk miljö. Forskare lär sig därför hur spåren ser ut som sådana organismer lämnar efter sig. Det handlar om förändringar i klippors kemiska sammansättning, karakteristiska mönster i isotoper och specifika organiska molekyler. På denna grund designar man instrument för rovers och rymdsonder samt strategier för provtagning.

Så hjälper mikrober från jorden att planera rymdmissioner

Analysen av extremofila mikrober påverkar många faser av missionsplanering. Valet av landningsplats prioriterar regioner som påminner om kända saltsjöar, glaciärer eller vulkaniska områden från jorden. Konstruktionen av instrument anpassas så att spektrometrar och mikroskop är designade för att detektera små förändringar i kemisk sammansättning som är typiska för mikroorganismers aktivitet.

Strategin för provtagning innebär att ingenjörer planerar borrningar djupare under ytan, där klippor och is bättre skyddar eventuella celler mot kosmisk strålning. NASA och European Space Agency använder data från extremofil-forskning för att designa framtida missioner till Mars och de isiga månarna.

På grundval av data från studier av extremofila mikrober uppstår också så kallade prioriterade biosignaturer, ett set av karakteristika som är särskilt relevant att spåra under framtida missioner. Målet är inte abstrakt att söka efter liv i allmänhet, utan efter mycket specifika mönster kända från extrema ekosystem på jorden. Forskare från California Institute of Technology och Max Planck Institute bidrar aktivt till detta arbete.

Vad extremofila mikrober lär oss om själva definitionen av liv

Forskningen kring dessa anmärkningsvärda mikroorganismer leder till en obekväm fråga. Är vår klassiska förståelse av liv kanske för snäv? Skolbiologin vänjer oss vid att organismer behöver måttlig temperatur, flytande vatten och relativt milda omgivningar. Emellertid motsäger nyupptäckta stammar denna intuition.

Vulkaniska sjöar med pH-värde som kan jämföras med batterisyra, glaciärer där vattnet praktiskt taget inte smälter, eller saltlager så täta att de kunde förstöra de flesta celler, är för vissa mikroorganismer ganska behagliga levnadsmiljöer. Det betyder att det i solsystemet kan existera flera nischer där man kan söka efter biologiska signaler.

Denna förändring i tänkande påverkar också designen av framtida rymdteleskop och forskningsmissioner utanför solsystemet. När forskare söker efter planeter som liknar jorden tar de i allt större utsträckning hänsyn till ett bredare spektrum av temperaturer, atmosfärisk sammansättning och geologi än för bara ett decennium sedan. Studier publicerade i Nature Astronomy och Astrobiology bekräftar denna tendens.

Extremofila mikrober i vardagen och i klimatdebatten

Ämnet verkar kosmiskt, men det är mycket starkt förbundet med problem här och nu. Skiftande klimat, stigande föroreningar av luft och jord samt växande energibehov tvingar fram nya teknologiska lösningar. Mikroorganismer som kan motstå temperaturer och salthalt som kanske blir vanliga under de kommande årtiondena erbjuder naturliga anpassningsverktyg.

Med deras hjälp kan man designa produktionslinjer skapade speciellt för mer extrema förhållanden, till exempel för torra regioner där det saknas vatten av hög kvalitet. Tack vare arbete vid lägre temperaturer eller vid större variation i parametrar blir industriella processer mer flexibla. Företag som Novozymes och BASF investerar redan i utveckling av extremoenzymer för industriell användning.

Det är också viktigt att komma ihåg risker. Manipulation av extremofilers genom och skapandet av hybrider med hittills oöverträffad resistens kräver mycket stränga regler för biologisk säkerhet. Forskare och reglerande myndigheter måste löpande uppdatera föreskrifter så att innovationer inte springer iväg.

Extremofila mikrober blir därför något mer än en exotisk kuriositet från läroboken. De förbinder laboratorier som sysslar med klimatförändringar, ingenjörer som utvecklar rymdteknik och läkare som söker nya läkemedel. Och de påminner oss samtidigt om att liv, även det som kanske existerar utanför jorden, kan anpassa sig till förhållanden vi tills nyligen betraktade som fullständigt livlösa. Kunde det förändra vår förståelse av livets gränser för alltid?