Mikroorganismy lidem pomáhají odpradávna. Zatímco však doposud zastávali roli pouze výkonných biochemiků. Věda se nyní chystá je zaměstnat i jako architekty nebo třeba fotografy… 
Myslíte si, že postavit elektronický mikročip vyžaduje přesnou práci strojů pečlivě sestavených rukou nějakého hodně šikovného člověka? Nebo co třeba takový vysoce vodivý drátek, který má v průměru pouhých několik nanometrů? Na to je určitě zapotřebí špičkové technologie založené nejlépe na drahých miniaturních komponentech velmi přesného zařízení. Jenže pro mikroorganismy je to hračka, jsou šikovnější a vynalézavější než samozvaný pán tvorstva.
Odpadní hostina
Mikroorganismus Geobacter už nějaký čas člověku pomáhá s čištěním odpadních vod. Mikrobiologové z Pensylvánské státní univerzity (USA) jej dokonce už před třemi lety zkoušeli zaměstnat jako přírodní elektrárnu. Jeho metabolismus, nadšeně likvidující látky s energeticky bohatými chemickými vazbami, si totiž musel nějak část získané energie vybít.
Vědci sice netušili, jak to Geobacter dělá, ale vytvářel elektrický proud. Jediný problém byl s jeho jímáním. Na počátku dokázali z jednoho m3 vyškrábnout pouhou jednu desetinu wattu. Nicméně v současnosti už se daří mikroba obírat o plných 500 wattů a ještě stále se zdá, že tato hodnota není úplně definitivní.
Aby toho na jednu šikovnou bakterii nebylo málo, prokázalo se také, že ze všeho toho nepořádku v odpadních vodách dokáže vyrábět i vodík. A co víc, nijak o něj nestojí a jako nepotřebný produkt jej vypouští do ovzduší. Kromě přímé výroby energie tedy produkuje i látku, s níž vědci počítají pro alternativní pohon motorových vozidel.
Vousatý elektrikář
V červnu loňského roku přestal Geobacter americkým vědcům na Massachusettské univerzitě, vybaveným elektronovými mikroskopy, konečně vzdorovat a „prozradil“, jak elektrický proud vlastně vyrábí. Na jedné straně buňky vyrůstají dlouhé, pouhé 3 – 5 nanometrů silné výběžky. Přestože jsou 20 000krát tenčí než lidské vlasy, jsou velmi odolné a dokáží vést elektrický proud. Geobacter si s jejich pomocí vytváří uzemňovací síť, díky níž se zbavuje nepotřebných elektronů, uvolněných při štěpení chemických vazeb.
Vědci si svou teorii ověřovali pro mikroba poněkud drastickým způsobem. Genetickou modifikací jej donutili, aby neobrostl typickým „vousem“ a zůstal lysý. Geobacter na to reagoval stávkou! Protože neměl kudy odvádět elektrony, přestal prostě zpracovávat své oblíbené pochoutky z odpadních vod.
Biologové už dnes spřádají plány, jak tenoučké pevné nanovodiče využijí v mikročipech a umožní tak jejich další miniaturizaci. Kromě snadného „chovu“ jejich majitele, a tedy levné výroby, vstupuje do hry i možnost genetických úprav Geobactera. Přehrabováním v DNA si vědci chtějí mikroba naprogramovat k produkci několika druhů vláken s různými fyzikálními vlastnostmi.
Budou mikrobi stavět čipy?
Ještě efektnějšího využití než Geobacter by se v elektronice mohly dočkat jednobuněčné mořské řasy rozsivky. Dokáží totiž stavět miniaturní křemičité ulity, které by se mohly uplatnit při výrobě mikročipů. Současné litografická technologie výroby elektronických spojů je náročná a nákladná záležitost, vědci se tedy snaží najít nový postup, který by jednak součástky zlevnil, jednak umožnil další miniaturizaci.
Rozsivky a jejich stavitelské schopnosti, díky kterým dokáží vytvářet velmi složité trojrozměrné nanostruktury (jednotlivé přepážky jsou silné jen několik desetin nanometru), padly koncem loňského roku do oka americkému vědci Kennethu Sandhagovi z Georgijského technologického institutu. „Pokud by se nám genetickou manipulací podařilo rozsivky přesvědčit, aby vytvářely struktury podle našich představ, mohli bychom sestavit složitější spoje, než jaké jsme schopni vyrobit za pomoci litografické technologie“, nešetří Sandhage optimismem. „Výrazně by se tak posunula hranice miniaturizace a výkonu počítačů.“
Materiáloví experti
Aby úvahy o možnostech genetického naprogramování tvaru ulity nezněly tak neuvěřitelně, donutili pracovníci Georgijského technologického institutu rozsivky vyrábět schránky úplně jiného chemického složení, než jaké jim vštípila matka příroda. Zmutované řasy tak dokáží například místo oxidu křemičitého využívat ke svým architektonickým kejklím oxid titaničitý, kterého si elektrotechnici cení pro jeho vysokou vodivost.
Kromě jemných zásahů do genetické informace využívají technologové i poněkud razantnější způsob, jak výtvory rozsivek získat z požadovaného materiálu. Již hotovou schránku lze totiž například prohnat „saunou“, která místo běžné páry obsahuje kovy v plynném skupenství, zahřáté na 900 oC. Výsledkem je schránka například z oxidu manganatého nebo oxidu titaničitého.
Ulity se také mohou využít jako „formy“ pro odlévání třeba ze zirkonia, velmi odolného materiálu, využívaného například při konstrukci jaderných reaktorů. Původní křemičitá skořápka se pak jednoduše rozpustí a nechá odtéct.
Jen v několika málo genech…
Zatímco s chemickým složením si lze poradit i bez programování genetické informace, při vyrábění tvarů na zakázku už se vědci bez zásahů do DNA neobejdou.
Rozsivčí genom se kompletního přečtení dočkal v roce 2004. Kromě jiného se tehdy ukázalo, že za neuvěřitelnou rozmanitost tvarů křemičitých schránek zodpovídá pravděpodobně pouze několik málo genů. Genetici se tedy nemusejí při zkoumání zákonitostí tvorby ulit přehrabovat v milionech písmen DNA, ale jejich pozornost stačí upřít jen na značně omezenou část genomu. I přesto by mohl být optimismus, s jakým Snadhase doufá ve vyšlechtění čipotvorných rozsivek, předčasný.
Vedoucí nanotechnologické katedry britské Cambridgské univerzity Mark Welland k tomu dodává: „Nedovedu si dost dobře představit, že bychom dokázali rozsivkám vštípit, jak vyrábět struktury s přesností na několik desetin nanometru.“
Živé fotoaparáty
Zatímco přesná převýchova rozsivek je zatím jen hudbou budoucnosti, bakterie se daří k technické spolupráci přemlouvat již dnes. A nejedná se ani o žádného exota, ale o obyčejné Escherichii coli, které si každý člověk nosí jako neškodného souputníka ve střevech. Stačilo přitom jen přidat pár písmen do jejího genetického kódu.
Vědci z Kalifornské univerzity v San Franciscu si na konci loňského roku k fotografickým hrátkám nevybrali běžného mikroba náhodou. Rozhodující byla nejen jeho nenáročnost, ale také to, že nemá žádný fotosyntetický aparát, který by mohl reakci na světlo zkreslovat. Proto mu stačilo vnést dva geny mořské chaluhy. Jeden z nich totiž reaguje na červené světlo tím, že ukončí činnost druhého. Z dřívějších výzkumů již měli vědci nachystán indikátor, který v živném médiu signalizuje vypnutí tohoto genu. Dělá to tak, že trvale ztmaví podklad, ne kterém E. coli roste.
Bakteriální kultura sice není zrovna přehnaně citlivý materiál, trvá jí 4 hodiny, než si světla patřičně „všimne“, ale díky svým malým rozměrům dokáže vytvořit obrázek s rozlišením 100 Mppi. Pro srovnání fotografie v tiskové kvalitě mají pouze 300 ppi (pixels per inch), tedy 333krát méně.
Nanochemičky
Mohlo by se zdát, že přesné zachycování červeného záření obarvováním média pro bakterie nemá žádné praktické využití. To asi opravdu nemá, nicméně svérázný fotografický fígl má sloužit pouze jako odrazový můstek pro další techniky. S využitím objevu totiž vědci počítají pro syntézu velmi malého množství nějaké potřebné látky, kterou by tak bylo možné velice přesně lokalizovat jednoduchým spouštěčem.
Červeným světlem (případně jiným aktivátorem požadovaných genů) by tak bylo možné na povrchu různých materiálů „vypalovat“ složité nanostruktury z určitých látek. Již dnes se dají úpravou DNA přesvědčit bakterie k tomu, aby na povel produkovaly některé polymery nebo sloučeniny kovů.
Lovci molekul
Rozsivky patří mezi jednobuněčné mořské řasy a tvoří skupinu čítající přes 12 000 druhů. Představují nezanedbatelnou součást mořského planktonu a podle některý pramenů se na celkové primární výrobě organické hmoty podílejí dokonce plnými 25 %.
Jejich cytoplasmatická membrána vytváří dvoudílnou křemičitanovou schránku, protkanou nesčetnými drobnými otvory, potřebnými pro komunikaci s vnějším prostředím. K výrobě „ulity“ potřebují rozsivky značné množství křemičitanových iontů, které si aktivně doplňují odchytáváním kyseliny křemičité. Dokážou takto nahrabat až 18 molekul za sekundu.
Mohlo by se zdát, že tyto podivné řasy si dobrovolným uzavřením do klece odpírají možnost reprodukce. Jenže mikrob na to jde od lesa. Množí se totiž nepohlavním dělením, při kterém si dvě dceřinné buňky odnesou po jedné polovině mateřské schránky. Její dva díly do sebe totiž zapadají jako puzzle. Při rozcházení nových buněk se tedy díly ze sebe vysunou a mladá rozsivka pak dotvoří druhou polovinu.
Mikrob pro Nobela
Objektem zájmu vynálezců se rozsivky staly dávno předtím, než počítačoví experti začali pátrat po levnějším způsobu výroby miniaturních spojů. Bez jejich přičinění bychom dokonce ani dnes neznali Nobelovy ceny.
Kolem roku 1870 totiž objevil Alfréd Nobel na vřesovištích v severním Německu horninu, která měla velmi porézní a zároveň odolnou strukturu. Tehdy ještě netušil, že vznikla usazením obrovského množství miniaturních schránek rozsivek, ukrývajících v sobě členité chodbičky o průměrech řádově v desetinách nanometru.
Právě díky své nanostruktuře se tzv. diatomit (rozsivka má většině evropských jazycích základ diatom) vyznačoval výbornou nasáklivostí. Přesně takovou látku Nobel potřeboval. Jeho nitroglycerin byl totiž značně nestabilní kapalinou, která měla sklon explodovat při každém větším otřesu. Pokud tedy chtěl s výbušninou bezpečně manipulovat, musel nalézt způsob, jak zamezit šíření chvění v kapalině. A její rozdělení do co nejmenší komůrek, oddělených pevnými lamelami, bylo ideálním řešením. Rozsivky se tak staly nedílnou součástí dynamitu.
Jednobuněční rekordmani
Mikroorganismy jsou mistry v přežívání v extrémních podmínkách. Díky jednoduchosti svého těla si vystačí i s metabolickými drahami, které by velkým mnohabuněčným organismům nedokázaly zajistit dostatek energie. Nalezneme je tedy téměř v jakémkoli prostředí, sirnými sopečnými prameny počínaje a antarktickým ledem konče.
Pyrolobus fumarii – sirná bakterie, která si libuje ve vulkanických pramenech a nevadí jí ani teplota kolem 113 oC.
Picrophilus oshimae – rodina své kořeny nezapře, stejně jako jeho bratránek Pyrolobus obývá na síru bohaté prameny, ale kromě tepla si navíc libuje i v extrémní kyselosti. Jeho rozmnožovací choutky nezastaví ani pH 0.
Natrobacterium magadii je přesným opakem předcházejícího extremofila. Výborně se mu daří ve vysoce zásaditém prostředí dosahujícím neuvěřitelné hodnoty pH 11.
Z ledu na antarktickém slaném jezeře Vostok se vědcům podařilo izolovat bakterii, která tu přežívá čtyřicetistupňové mrazy a nevadí jí ani periodické rozmrzání. Klíčem k úspěchu jsou látky zabraňující tvorbě ledových krystalů.
