Naučnici RIKEN-a koji traže tragove o poreklu života na Zemlji otkrili su novi mikrob koji bi mogao da rasvetli kako su se organizmi prvi put razvili na Zemlji, potragu za životom na drugim mestima u svemiru i kako poboljšati mikrobne fabrike.
Njihovo istraživanje, sprovedeno u hrapavim izvorima koji se napajaju dubokom vodom u severnoj Kaliforniji, otkrilo je mikroorganizam koji pretvara ugljen-dioksid u druge hemikalije. Ovaj proces ne samo da generiše energiju, već koristi ranije nepoznati metabolički put, sugerišući nove metode fiksacije ugljenika koje mogu oponašati najranije oblike energetskog metabolizma na našoj planeti.
Nalazi su objavljeni u časopisu Nature Communications.
„To je zaista neobično“, kaže Šino Suzuki, vodeći autor studije i mikrobiolog koji je na čelu Laboratorije za geobiologiju i astrobiologiju u RIKEN klasteru za pionirska istraživanja u Vakou, Japan.
Neobični uslovi u kojima žive mikroorganizmi mogli bi da budu kandidat za okruženje u kojem je nastao život na Zemlji, tako da bi ova nova vrsta fiksacije ugljenika „mogla da predstavlja jedan od najranijih procesa konverzije energije primitivnog života“, kaže Suzuki. Ispostavilo se da bi se takođe moglo iskoristiti za podsticanje mikrobne proizvodnje hemikalija i biogoriva.
Mikrob, vrsta jednoćelijskog oblika života poznatog kao arheon, potiče iz vanzemaljskog ekosistema zvanog Kedari. Smešteno oko 150 kilometara severno od kultnog mosta Golden Gate u San Francisku, ovo geološko blago karakterišu bizarne mineralne formacije izazvane određenim podzemnim stenama koje reaguju sa vodom.
Ovaj proces stvara vode koje su bogate kalcijumom, vodonikom i gasom metanom, ali bez drugih sastojaka koji su tipično neophodni za život. Život tamo ipak napreduje.
Pre oko 15 godina, Suzuki i njeni saradnici počeli su da karakterišu mikrobe u ovom neprijateljskom okruženju, koristeći napredne tehnike genetskog sekvenciranja da identifikuju bakterije i arheje unutar ovih neistraženih oblasti. Naišli su na razne egzotične mikrobe, od kojih svaki ima različite genomske karakteristike i metaboličke funkcije.
Neki su se hranili vodonikom, dok su drugi konzumirali rastvorene minerale u alkalnim vodama. Ipak, možda niko nije bio bizarniji — i fascinantniji — od Met12.
Met12 je bogat arheon koji živi u dubokim podzemnim vodama Kedara. Genetske analize su otkrile da je usko povezan sa grupom anaerobnih mikroba poznatih po svojoj sposobnosti da proizvode metan kao nusprodukt svog metabolizma. Pa ipak, Met12 nedostaju geni potrebni za proizvodnju metana.
Umesto toga, mikrob se oslanja na alternativni metabolički put u kome se ugljen-dioksid pretvara u organski molekul koji se zove acetat, bez ikakvog oslobađanja metana u procesu. Posebno, u ovoj operaciji mu pomaže jedinstveni gen koji se zove MmcX.
Ovaj gen, kao što su pokazali Suzuki i njen tim, pomaže u povećanju kapaciteta Met12 za uvoz elektrona, omogućavajući robusniji energetski metabolizam. Ova adaptacija je kritična za mikrobe da cvetaju na terenu kao što su Kedari koji bi, na prvi pogled, izgledali krajnje negostoljubivi za takav život.
Prema Suzukiju, otkriće pokazuje oblik života koji se prilagođava ekstremnim okruženjima na neočekivane načine, nalaz koji bi mogao da odražava kako je primitivan ili čak vanzemaljski život nastao pod vrstama surovih uslova za koje se smatra da postoje na ranoj Zemlji ili drugim planetama. „Ovo bi moglo dati neke uvide u poreklo života“, kaže Suzuki.
Kada je Suzuki, zajedno sa saradnicima iz Sjedinjenih Država, Danske i drugih mesta u Japanu, prvi put otkrio Met12, nisu verovali u svoja otkrića. „Sumnjao sam u sebe“, kaže Suzuki. „Mislio sam da sam pogrešio.
Pošto su bile dostupne samo sekvence gena, morali su da koriste metodski proces za rekonstrukciju cirkularizovanog genoma mikroba. Uzgoj Met12 u laboratoriji se pokazao izazovnim, tako da nisu mogli da verifikuju njegovo postojanje tradicionalnim mikrobiološkim metodama. Okrećući se sintetičkoj biologiji, istraživači su morali da koriste kreativne metode verifikacije kako bi se uverili da je organizam stvaran.
Oni su ubacili gen MmcKs u bakteriju u obliku štapa, genetski konstruisanu da ne karakteriše aktivnost prenosa elektrona. Ovo podešavanje je pomoglo da se spasu mikrobove sposobnosti uzimanja elektrona, čak do te mere da su prevazišle normalne nivoe. Sa daljim eksperimentisanjem, istraživači su zaključili kako je Met12 sposoban da iskoristi ove elektrone da olakša metabolizam energije, sa ugljen-dioksidom kao primarnim izvorom goriva.
Otkriće ima praktične implikacije. Bakterija u kojoj su poboljšali metaboličku aktivnost i svestranost se obično koristi za proizvodnju biogoriva. Koristeći MmcKs, Suzuki se nada da će poboljšati efikasnost genetski modifikovanih mikroba koji se oslanjaju na prenos elektrona kako bi pomogli u proizvodnji hemikalija i biogoriva. Njihova inovacija je dovela do podnošenja patenta za ovu molekularnu tehnologiju.
Karakterizacija ovog arheona takođe može pomoći u sekvestraciji ugljenika, što je prioritet za ublažavanje emisija kako bi se usporio tempo klimatskih promena.
Mogućnosti za inovacije se ne završavaju sa MmcKs-om. Suzuki predviđa da će dalja izuzetna otkrića uslediti iz dodatnog istraživanja Cedara i istraživanja drugih jedinstvenih okruženja sa neiskorišćenim rezervoarima genetske raznovrsnosti.
Njen tim sada traga za ekstremofilnim organizmima na mestima kao što su topli izvori Hakuba Hapo u japanskim Alpima, visoko-alkalni vreli izvor sa sličnim uslovima kao The Cedars, i podvodni vulkani najdubljeg morskog rova na svetu, Marijanskog rova, nalazi u zapadnom Tihom okeanu.
„Postoji mnogo zanimljivijih gena koji još nisu otkriveni“, kaže ona.
