Microscopische organismen herdefiniëren de astrobiologie
Hedendaagse onderzoekers richten hun blik niet alleen op telescopen — ze wenden zich steeds vaker tot microscopische organismen die gedijen in de meest vijandige uithoeken van onze planeet. Precies deze bacteriën wijzen nieuwe richtingen aan binnen de astrobiologie en geven aan wat we zouden moeten zoeken op Mars en op met ijs bedekte manen.
Extremofiele micro-organismen overleven op plaatsen waar al het andere het opgeeft. Ze kunnen gedijen in zuur, verdragen stralingsdoses die dodelijk zijn voor mensen, en vallen niet uiteen bij temperaturen waarbij de meeste eiwitten allang zouden stollen. Deze microben leven op de grens van het biologisch mogelijke en worden vandaag steeds crucialer als gereedschap voor zowel wetenschap als industrie.
Van wetenschappelijke curiositeit naar serieus onderzoeksgebied
Jarenlang werden ze beschouwd als een interessante voetnoot in de wetenschap. Ze duiken op in hydrothermische schoorstenen op de oceaanbodem, in warmwaterbronnen in Yellowstone, in de gletsjers van Antarctica, in sterk gezouten meren en in rotsen kilometers diep onder het aardoppervlak. Nu zijn ze echter de hoofdrolspelers geworden in uiterst serieuze studies.
Een onderzoeksgroep waarvan de resultaten werden gepubliceerd in het tijdschrift Frontiers in Microbiology toont aan dat deze organismen tegelijk kunnen bijdragen aan de bescherming van de biosfeer van de aarde én aan de zoektocht naar leven buiten onze planeet.
Extremofielen produceren gespecialiseerde enzymen die niet afbreken op plaatsen waar gewone eiwitten al lang hun functie hebben verloren. Onderzoekers noemen deze extremoenzymen. Juist dankzij zo’n enzym — een thermostabiel DNA-polymerase uit een bacterie in de warmwaterbronnen van Yellowstone — werd de gewone PCR-test überhaupt mogelijk.
Hoe microben uit de hel helpen in de wasserij en bij de productie van biobrandstof
Het klinkt misschien als sciencefiction, maar de sporen van dit microleger vinden we terug in onze eigen woning. Enzymen gewonnen uit extremofielen verhogen de efficiëntie van waspoeder en maken het mogelijk om effectief te wassen bij lagere temperaturen. Dat betekent minder energieverbruik, lagere elektriciteitsrekeningen en een vermindering van de CO₂-uitstoot.
Andere stammen van micro-organismen zijn uitstekend in staat om harde plantenresten af te breken. Dat maakt het proces om landbouwafval om te zetten in biobrandstof zowel eenvoudiger als goedkoper. In plaats van stro of andere resten te verbranden, kun je vloeibare brandstoffen produceren met een aanzienlijk lagere koolstofvoetafdruk.
Bijzonder indrukwekkend zijn de microben die onder zowel laboratorium- als veldcondities zware metalen kunnen binden en omzetten. Het gaat onder meer om:
- Kwik — extreem giftig, afgezet in bodem en sedimenten
- Cadmium en lood — gevaarlijk voor het zenuwstelsel en de bloedaanmaak
- Chroom en nikkel — vaak aanwezig in industrieel afval
- Arseen — kankerverwekkend halfmetaal in vervuild water
- Koper — schadelijk voor planten en dieren bij te hoge concentraties
- Zink — giftig bij langdurige blootstelling aan hoge doses
Deze eigenschappen worden benut in bioremediatie — het saneren van vervuilde locaties met behulp van levende organismen in plaats van zware chemicaliën. In plaats van duizenden tonnen grond af te voeren naar speciale stortplaatsen, kun je zorgvuldig geselecteerde bacteriën en schimmels gecontroleerd inzetten.
Hoe onderzoekers microben temden met computermodellen en genbewerking
Er is echter één fundamenteel probleem: veel extremofielen zijn niet gemakkelijk te kweken in een standaardlaboratorium. Organismen die gewend zijn aan de druk kilometers onder water of aan sterke zuren, gedijen simpelweg niet in kolfjes op een laboratoriumtafel.
Daarom grijpen onderzoekers steeds vaker naar gereedschappen uit de synthetische biologie en computersimulaties. In plaats van de omstandigheden van de oceaanbodem fysiek na te bouwen, construeren ze nauwkeurige metabolische modellen van volledige cellen — de zogenaamde GEM (genome-scale metabolic models). GEM-simulaties maken het mogelijk te voorspellen hoe een micro-organisme reageert op een genetische wijziging of een verandering in het voedingsmedium, voordat de onderzoeker ook maar één echt experiment uitvoert.
Door deze modellen te combineren met precieze genbewerkingstechnieken zoals CRISPR modificeren onderzoeksteams bacteriën op een zeer gerichte manier. Zo kun je bijvoorbeeld de metabolische route voor de productie van een bepaalde chemische stof versterken, een gen dat verantwoordelijk is voor gifstofproductie onderdrukken, of genen van een andere extremofiel toevoegen om de weerstand tegen temperatuur of zoutgehalte te verhogen.
Het resultaat zijn microfabrieken die nieuwe antibiotica, biologisch afbreekbare materialen of precieze chemische katalysatoren produceren — dit alles onder omstandigheden die veel milieuvriendelijker zijn dan de klassieke chemische industrie. Onderzoekers van de University of Maryland presenteerden onlangs een gemodificeerde stam van Deinococcus radiodurans die plasticresten kan afbreken, zelfs bij hoge straling.
Wat warmwaterbronnen en het oppervlak van Mars gemeen hebben
Een centraal deel van het werk van het team gaat over het toepassen van deze inzichten buiten onze planeet. Extremofielen leven onder meer in sterk gezouten meren, in diepe grotten, onder gletsjers en in vulkanische fumarolen. Veel astrobiologen beschouwen zulke plaatsen als natuurlijke analogen voor buitenaardse omgevingen in de ruimte.
Mars, Europa (de maan van Jupiter) en Enceladus (de maan van Saturnus) zijn hemellichamen die gekenmerkt worden door extreme omstandigheden: lage temperaturen, hoge straling, afwezigheid van zuurstof, sterke zoutconcentraties en soms de aanwezigheid van ondergrondse oceanen. Klinkt dat bekend? Voor veel aardse extremofielen is dat volkomen normaal.
Als een bacterie op aarde kan leven in een donkere, warme vulkanische spleet zonder toegang tot zuurstof en licht, neemt de kans toe dat eenvoudige levensvormen ook zijn ontstaan in een vergelijkbare kosmische omgeving. Onderzoekers leren daarom de sporen te herkennen die zulke organismen achterlaten: veranderingen in de chemische samenstelling van gesteenten, karakteristieke patronen in isotopen en specifieke organische moleculen. Op basis hiervan worden instrumenten ontwikkeld voor rovers en ruimtesondes, evenals strategieën voor monstername.
NASA plant als onderdeel van de missie Mars Sample Return spectrometers te gebruiken die rechtstreeks zijn ontworpen op basis van inzichten uit onderzoek naar extremofiele kolonies in de Chileense woestijn Atacama. Het Europees Ruimteagentschap ESA test booruitrusting op de gletsjer Vatnajökull op IJsland, waar microbiologen bacteriën hebben geïdentificeerd die leven onder omstandigheden vergelijkbaar met die op de maan Europa.
Hoe microben de spelregels voor de planning van ruimtemissies veranderen
De analyse van extremofielen beïnvloedt vele fasen van de missieplanningsprocedure. De keuze van de landingsplaats geeft prioriteit aan regio’s die lijken op bekende aardse zoutmeren, gletsjers of vulkanische gebieden. Instrumenten worden zo geconstrueerd dat spectrometers en microscopen kleine veranderingen in chemische samenstelling kunnen registreren die typisch zijn voor de activiteit van micro-organismen.
Bemonsteringsstrategieën evolueren in de richting van diepere boringen onder het oppervlak, waar gesteenten en ijs eventuele cellen beter beschermen tegen kosmische straling. Ingenieurs van het California Institute of Technology hebben een robotarm ontworpen die tot drie meter diep onder het Marsoppervlak kan boren — geïnspireerd door de studie van bacteriën in diepe boringen in Groenland.
Op basis van gegevens uit extremofielenonderzoek ontstaan ook zogenaamde prioritaire biosignaturen — een reeks kenmerken die bijzonder waardevol zijn om te monitoren tijdens toekomstige missies. Het doel is niet abstract op zoek te gaan naar leven in het algemeen, maar naar zeer concrete patronen die bekend zijn uit extreme ecosystemen op aarde. Onderzoekers van de University of Edinburgh hebben een database samengesteld met meer dan tweehonderd chemische markers die typisch zijn voor het metabolisme van extremofiele archaea.
Wat extremofielen ons leren over de mogelijkheden van leven in het hele heelal
Het onderzoek naar deze bijzondere micro-organismen leidt tot een ongemakkelijke vraag: is ons klassieke begrip van leven misschien veel te beperkt? Het schoolboek heeft ons geleerd dat organismen gematigde temperaturen nodig hebben, water in vloeibare toestand en een relatief mild milieu. Nieuw ontdekte stammen spreken dit intuïtieve beeld echter tegen.
Vulkanische meren met een pH-waarde vergelijkbaar met het zuur uit een autoaccu, gletsjers waar het water bijna nooit smelt, of zoutvoorraden zo geconcentreerd dat ze de meeste cellen zouden vernietigen — dat zijn voor bepaalde micro-organismen volkomen comfortabele leefomgevingen. Dit betekent dat er in ons zonnestelsel veel meer niches kunnen bestaan waar men biologische signalen kan zoeken.
Deze verschuiving in denken beïnvloedt ook het ontwerp van toekomstige ruimtetelescopen en onderzoeksmissies buiten ons zonnestelsel. Bij de zoektocht naar aardeachtige planeten houden onderzoekers steeds vaker rekening met een breder spectrum aan temperaturen, atmosferische samenstellingen en geologieën dan tien jaar geleden. De James Webb Space Telescope brengt actief exoplaneten in kaart met hoge concentraties methaan en waterstofsulfide — gassen die worden geassocieerd met de activiteit van extremofiele micro-organismen.
Waarom extremofielen cruciaal zijn voor het oplossen van de klimaatcrisis
Het onderwerp klinkt kosmisch, maar hangt zeer sterk samen met problemen van vandaag. Het veranderende klimaat, de toenemende vervuiling van lucht en bodem en de groeiende vraag naar energie vereisen nieuwe technologische oplossingen. Micro-organismen die temperaturen en zoutconcentraties verdragen die in de komende decennia mogelijk vaker voorkomen, bieden natuurlijke aanpassingsgereedschappen.
Met hun hulp kunnen productieprocessen worden ontworpen die specifiek geschikt zijn voor extremere omstandigheden — bijvoorbeeld in droge regio’s waar schoon water schaars is. Dankzij het werken bij lagere temperaturen of met grotere variatie in parameters worden industriële processen flexibeler. Het bedrijf Novozymes verkoopt al enzymen van extremofielen aan de textielindustrie in India en Bangladesh, waar lokale omstandigheden normale verfprocessen bemoeilijken.
Het is ook de moeite waard de risico’s te benoemen. Het manipuleren van het genoom van extremofielen en het creëren van hybriden met ongekende weerstandsvermogen vereist zeer strenge regels voor biologische veiligheid. Onderzoekers en regelgevers moeten de regels voortdurend bijwerken, zodat de innovaties niet aan controle ontsnappen. Er is nauwelijks een beter moment dan nu om hierover gezamenlijk na te denken en verantwoord onderzoek te ondersteunen.
