To, co našli vědci, pátrající po mikroorganismech přežívajících v drsných severských podmínkách antarktického ledu, určitě nečekali. Pod mikroskopem a na kultivačních miskách objevili více než 200 nových druhů.

Nejen ty, které přežívají při nízkých teplotách, ale také ty, jež by přežily i ve varné konvici. Proč jsou zrovna na jižním pólu?

„Objevili jsme přes 300 mikroorganismů, z toho více než 200 bylo nových druhů přizpůsobených k životu v extrémních podmínkách,“ chlubí se Jenny Blameyová, biochemička a ředitelka nadace Biosciences v chilském Santiagu, jedné z nejvlivnějších organizací pro zkoumání biologických zdrojů Antarktidy.

Nadace Biosciences začala působit v roce 2008 s potenciálem využití biotechnologických zdrojů v tomto do značné míry neprobádaném území. Blameyová a její kolegové se účastnili Antarktické vědecké expedice 47 (EÚD-47) v letech 2010–2011, kterou organizoval chilský antarktický ústav v Puntas Arenas.

Jezero plné pracího gelu

Výzkumníci už našli řadu originálních extrémofilů (viz rámečky), mikrobů žijící v ledu, ve vroucí vodě, v jaderných reaktorech. Tyto záhadné bakterie mohou být normou i pro život podobný pozemskému jinde ve vesmíru.

Již v minulých letech budily zájem vědců antarktické oblasti, zkoumali fascinovaně tamní mikro- i makroorganismy. Například expedice vedená Richardem Hooverem z NASA Marshall Space Flight Center zamířila v roce 2008 k arktickému jezeru Untersee, jednomu z nejneobvyklejších na Zemi, které je naplněné alkalickým (zásaditým) roztokem o síle pracího prostředku a navíc i silně nasycené kyslíkem.

„A aby to bylo ještě zajímavější, jezerní sedimenty produkují více metanu než jakékoli jiné místo na naší planetě. Od zdejšího života se můžeme naučit hodně zajímavých věcí,“ konstatoval Hoover.

Guano a intuice

Se svým týmem odhalil nové druhy extrémofilů v permafrostu (oblasti stále zamrzlé) Aljašky, Sibiře, Patagonie i Antarktidy. „Našel jsem jeden extrémofil v guanu (trusu – pozn. red.) tučňáků. Když jsem se sehnul, abych si odebral vzorek, kolega Jim Lovell jen vrtěl hlavou.

Ale vyplatilo se to, předsudky jsou občas k ničemu,“ přiznává Hoover svůj vědecký zápal.

Jeho tým objevil i bakterie, které si evoluce odložila k ledu na celých 32 000 let a po šetrném rozmražení byly schopné prosperovat a vrátit se k »běžnému provozu«. „Když vnímáte souvislosti, můžete najít mnoho pouhou intuicí,“ říká Hoover. „Příroda stále přichází s nějakým překvapením.“.

Expedice za extrémisty

Expedice Jenny Blameyové a jejího týmu zamířila na Jižní Shetlandské ostrovy. Ovšem pozor! Nejsou Shetlandy jako Shetlandy. Tyto na rozdíl od jejich skotských jmenovců najdete blízko nejsevernějšího výběžku Antarktického poloostrova.

Výzkumníci si vzali vybavení pro hledání extrémofilních organismů a vcelku logicky očekávali, že objeví mnoho psychrofilů, tedy těch mikroorganismů, které jsou uzpůsobeny pro přežití i při teplotách podstatně nižších než 15 °C. Patří sem např. zástupci rodů Psychrobacter, Arthrobacter nebo Pseudomonas.

Milovníci různých prostředí

Další, koho mohli vědci podle svých předpokladů pravděpodobně potkat, byly halofily (žijí ve vysokých koncentracích solí, naopak mohou mít potíže, pokud koncentrace poklesne pod určitou mez), acidofily (ty zase milují kyselé prostředí) nebo alkalofily (těžko se potkají s acidofily, obývají totiž naopak velmi zásadité prostředí).

Extrémofilní mikroorganismy udivují vědce schopnostmi přežívat za velmi neobvyklých podmínek už dlouho. Jak to zvládají? Například zmíněné psychrofilní mikroorganismy se chrání proti chladu velmi rafinovaně.

Evoluce jim dala do výbavy na lipidy (tuky) bohatou buněčnou membránu, »nemrznoucí« bílkoviny, a to vše proto, aby byl chráněn vnitrobuněčný prostor a jejich DNA (deoxyribonukleová kyselina) i když teplota spolu s náladou klesne pod bod mrazu.

Klub děsivě odolných jedinců

Přestože vědci z týmu doktorky Blameyové zkoumají extrémofilní i ostatní mikroorganismy relativně dlouho, museli přiznat, že byli opravdu překvapeni. Podařil se jim totiž úlovek, jaký nečekali. Ve svých odběrech identifikovali okolo tří stovek nových mikroorganismů a z toho téměř 70 % dosud neznámých.

Tím však řada překvapení nekončí. Kromě předpokládatelných otužilých milovníků extrémů, psychrofilních bakterií, se objevily i bakterie v arktických podmínkách nečekané. Totiž termofilní bakterie, milující teplo.

Termofilní bakterie jsou uzpůsobené pro život při teplotách nad 50 ºC, ale jsou i takové, které zvládají teploty nad 95 ºC. Jedna z nich, Thermus aquaticus, udělala mimořádnou kariéru ve vědeckém světě.

Tato miniaturní bakteriální celebrita patří do kmene Deinococcus-Thermus (z řádu Thermales, čeledi Thermaceae), což je mimochodem kmen, který sdružuje až děsivě odolné jedince.

Milovník horkých vřídel

Od doby, kdy Thermus aquaticus izolovali z horkého vřídla Yellowstonského parku, se stala světově proslulou svým enzymem Taq (DNA) polymerázou, která umožňuje replikaci v řetězci DNA. Stojí na ní základní metoda celé molekulární genetiky, polymerázová řetězová reakce, PCR (polymerase chain reaction).

Aby bylo možné kopírovat potřebný kousek dvouvláknové DNA, je třeba ji zahřát, aby se dvojvlákno rozpojilo (denaturovalo) a mohl na něj nasednout enzym DNA polymeráza. Vhodná teplota je právě 95 ºC, což nejsou obvyklé ideální podmínky pro fungování enzymů.

Ovšem Taq polymeráza si poradí i při rychlém střídání teplot mezi svou pracovní teplotou při 72 ºC a denaturací při 95 ºC opakovaně, třeba i ve 45 cyklech.

Ještě předtím se tato bakterie stala modelkou, protože právě její ribozomy (struktura, na které v buňce probíhá syntéza ribonukleové kyseliny, RNA) byly zkoumány a poprvé byla podle nich určena 3D struktura jedné z ribozomálních podjednotek.

Obydlení kuřáci

Její příbuzní, dosud neznámé termofilní bakterie, i když zřejmě nijak bujaře neprosperovaly, se udržovaly v životaschopném stavu obalené v ledu. Stejnou záhadou, jako jak (?!?!) podchlazení přežily, je otázka: „Kde se tam zrovna tyhle bakterie vzaly?“.

Vědci tvrdí, že „takový organismus se musel vyvinout v dobách, kdy životní prostředí v Antarktidě bylo jiné než dnes“. To je odvážné tvrzení. Určitě existují i jiná možná vysvětlení, ale toto se zdálo podle všech okolností nejpravděpodobnější.

Mnoho termofilů se nachází např. v horkých podmořských zřídlech, u černých kuřáků (podmořské hydrotermální průduchy s teplotou vývěru až 400 ºC).

Bakterie, která přežije i kryptonit

Kmen Deinococcus-Thermales jsme již zmínili. Kromě řádu Thermales do něj patří i řád Deinococcales (viz rámeček). Jaká extrémní individua najdeme tam? Bakterie, jež nedají spát vědcům i pavědcům. Bakterie, které zvládají podmínky, jež na Zemi podle všeho, co víme a jsme schopni pochopit, nikdy nepanovaly.

Jsou totiž schopné přežít expozici gama záření až 5000krát větší, než kdy přežily jakékoliv známé organismy, a to navzdory faktu, že žijí 15 metrů pod povrchem věčně zmrzlé půdy.

Na Zemi takové úrovně radiace nikdy nedosáhla, takže mohou zpozornět i zastánci teorií o bakteriích z vesmíru. „V tomto bodě nemůže být předem vyřazena žádná hypotéza,“ říká z pohledu objektivního výzkumu sama Jenny Blameyová.

Jak to Deinoccocus dělá?

Vědci nabízejí i alternativy k »teorii mimozemšťanů«. Jedna z nich je, že podobně vysoké dávky gama záření neexistovaly na Zemi, ale bakterie se dostaly do vyšších vrstev atmosféry, kde již nebyly tolik chráněny a byly působení vysokých dávek gama záření vystaveny pravidelně.

Podle další hypotézy se mohla vyvinout působením menších dávek gama záření mutace poskytující vyšší ochranu, než by byla vzhledem k nim potřebná (podobně jako když lidský mozek v dětství produkuje více neuronů, než dokážeme v dospělosti využít).

„Snažíme se pochopit molekulární mechanismy, které umožňují těmto bakteriím dosáhnout vysoké úrovně odolnosti. Chceme zjistit, jakými mechanismy se tento mikroorganismus pojistil, aby se dokázal chránit před účinky záření, a samozřejmě se zbývat všemi možnými praktickými aplikacemi včetně technologických,“ upřesňují vědci jeden ze směrů svého výzkumu.

Bakterie zařídí i krupobití

Atmosférické bakterie nejsou nouzovou hypotézou. Proč? „Bakterie byly nalezeny v zárodku, prvotní části vznikající ledové kroupy,“ říká doktor Alexander Michaud z Montana State University v Bozemanu v USA a dodává:

„Aby se mohly vytvořit srážky, musí být přítomna tzv. nukleační částice (lat. nucleus, nuculeus – jádro, pozn.red), na které se pak shlukují molekuly vody. Je stále více zřejmé, že těmito jádry jsou i bakterie nebo jiné biologické částice.“.

Při teplotách nad -40 ºC není krystalizace ledu spontánní a vyžaduje právě nukleační částice. Nejvíce aktivní jsou podle vědců přirozené částice biologického původu, umožňující tvorbu ledových útvarů při teplotách okolo -2 ºC.

Dobře prostudovaný je v této souvislosti rostlinný patogen Pseudomonas syringae. Vlastní ve své výbavě gen, který kóduje protein buněčné membrány, a ten může vázat molekuly vody v určitém uspořádání. Poskytuje účinnou »šablonu«, matrici usnadňující a urychlující tvorbu ledových krystalů.

„Důkazy pro přítomnost biologických nukleačních jader v atmosféře spolu s teplotou, při které fungují, naznačují, že biologický faktor může hrát roli v rovnováze hydrologických cyklů a slunečního záření na Zemi,“ konstatuje Brent Christner z Louisiana State University, který se zabývá stejnou problematikou.

Extrémofilní kosmetika

Tým Jenny Blameyové rovněž identifikoval psychrofilní bakterie extrémně odolné proti UV (ultrafialovému) záření, které používají enzymy pro zachycení reaktivních forem kyslíku. Také tyto mikroorganismy mohou mít praktické biotechnologické využití.

Výzkumníci odhadují, že by mohly najít využití i v oblasti technologií určených k ochraně osob před slunečním a UV zářením.

Další potenciálně užitečný mikroorganismus izolovaný z mělkých mořských sedimentů měl schopnost růst ve velmi slaném prostředí a při teplotách až 4 °C. V laboratorních testech zkoumal Freddy Boehmwald, biolog z Bioscience Foundation, molekulární strategie, které pomáhají tomuto mikroorganismu žít v extrémních podmínkách.

„Některé z molekul, které jsou produkovány v buňkách těchto mikrobů, jsou známé biostabilizátory, a je možné, že by mohly mít využití v kosmetickém či farmaceutickém průmyslu,“ objasňuje Boehmwald některé z možností.

Laboratoř jménem Antarktida

Paris Lavin, mikrobiolog z Chilského antarktického institutu, studoval 270 izolátů aktinomycet (Actinobacteria). To je poměrně významný kmen, díky němuž bylo objeveno mnoho přírodních antibiotik, například aktinomycin.

Lavin se věnoval kmenům produkujícím streptomycin, izolovaným ze sedmi lagun na jednom z jižních shetlandských ostrovů. Protože jím získané bakterie byly tak dlouho a spolehlivě izolované od světa, je poměrně nepravděpodobné, že by jejich vlastnosti poznamenala rezistence vůči antibiotikům, a jsou tedy poměrně dobrými kandidáty na nové producenty léků.

„Pro kombinaci extrémních teplot, intenzity ultrafialového záření i ostatních podmínek, specifických právě pro Antarktidu, můžeme vidět tuto oblast jako unikátní obrovskou přírodní laboratoř, která podporuje přirozený výběr organismů odolných vůči těmto tlakům.

A řešení, jež evoluce vytvořila, může najít využití ve svých aplikacích na celém světě,“ konstatuje Lavin.

Ze Špicberků do vesmíru

Dva britští vědci, profesor Liane Benning z university v Leedsu a doktor Dominique Tobler z university v Glasgowě, cestovali do jednoho z nejchladnějších míst na Zemi, Ny-Ålesund na Špicberkách (viz rámeček).

Chtěli prozkoumat, jak by sníh a led mohly být kolonizovány extrémofilními organismy, kterým se daří v drsných podmínkách. Jejich expedice byla součástí mezinárodního projektu AMASE, který by měl posloužit kosmickým misím s podobným posláním.

„Mrazivý sníh a led v tom místě je dost podobný mrazivým a ledovým planinám Marsu nebo jiných ledových těles ve sluneční soustavě, jako je Jupiterův měsíc Europa,“ vysvětluje Benning. Organismům, jež se v podmínkách Špicberků vyvinuly, stačí velmi málo živin, snášejí velké teplotní výkyvy, dehydrataci i vysoké úrovně UV záření.

„Pokud se nám podaří získat další informace o tom, jak život může prosperovat v těchto oblastech, s jakou strategií přežití, budeme mít větší šanci odhalit život na jiných planetách v podobně extrémních podmínkách,“ upřesňuje Dominique Tobler.

Ostře sledované místo činu

Stejně jako tým při vyšetřování zločinu musejí vědci přísně kontrolovat, aby nekontaminovali (neznečistili) »místo činu« čímkoliv, co by přinesli s sebou. Musejí také počítat s tím, že může existovat jen pár buněk na poměrně velké ploše, a tak musejí vyvíjet supercitlivé detektory, které jim pomohou nic nepřehlédnout.

Odhalí tyto expedice další dosud neznámé formy života, schopné přežít v nejextrémnějších podmínkách, přímo na Zemi? A naznačovalo by to, že život ve formě podobné té pozemské skutečně existuje jinde ve vesmíru?

Bakterie nakyselo nebo naslano?

*Extrémofilní bakterie milují drsné podmínky, nebaví je sedět někde ve vatičce za optimálních podmínek a přizpůsobily se prostředí, kde není zrovna klasická idyla, ale zase je tam v podstatě nikdo kromě vědců neruší.

*O psychrofilech, milujících chlad už byla řeč v textu článku, stejně jako o jejich opaku, termofilech.

*Za zmínku stojí rekord hypertermofilní archebakterie nazvané »Strain 121«, která se spokojeně množí i při teplotě 121 °C.

*Acidofily milují kyselé prostředí, patří sem například bakterie octového kvašení z rodu Acetobacter, které nemají rádi vinaři, nebo bakterie sirných pramenů. Nesetkají se pravděpodobně s alkalofily, těm se daří v silně zásaditém prostředí.

Buněčná membrána acido- i alkalifilů je uzpůsobená výjimečnému prostředí, proto v podmínkách obvyklejších často »nefunguje«.

*Halofily, např. Vibrio fischerii nebo Halobacterium salanarium, prosperují ve velmi slaných roztocích, můžete je hledat například ve Velkém solném jezeře nebo Mrtvém moři, při koncentraci až 25 % soli. (Mírně slaná lidská krev obsahuje asi 0,9 % soli.).

Bakterie pod tlakem

*Osmofilní mikroorganismy jsou nejčastěji pěkně zmlsané, rostou v prostředí výstředních osmotických tlaků (v buňce je více vody než ve vnějším prostředí). Najdete je tak v sušeném ovoci, medu nebo ovocných sirupech. Paří sem např. kvasinky Debaromyces hanseni, Zygosaccharomyces rouxii.

*Barofily (dříve piezofily) by mohly být ideálními manažery, libují si totiž v životě pod tlakem. Můžete je obvykle najít na mořském dně. Vysoký hydrostatický tlak znamená 10-50 MPa, ovšem maximalistická bakterie rodu Moritella byla nalezena na dně Mariánského příkopu.

To znamená v hloubce více než 10 000 m (největší hloubka se udává jako 10 924 m). *K růstu i v laboratorních podmínkách vyžadovala tlak »alespoň« 50 MPa, v jejím původním prostředí byl naměřený tlak okolo 108,6 MPa. Pro srovnání – normální tlak vzduchu je cca 1013 hPa, tedy asi 0,1 MPa.

*Suché prostředí a možná suchý humor mají rady xerofily, přežijí i v kalifornském Údolí smrti. V podstatě je najdete na podobných místech jako osmofily nebo halofily.

Amundsen, Nobile a globální úložiště semen

*Špicberky (norsky Svalbard) jsou ostrovy v Severním ledovém oceánu, jde o nejsevernější část Evropy a Norského království.

*Někdy okolo 12. století už o ně vedli boje Vikingové s Rusy. V původní norštině jejich název znamená »chladný kraj«.

*Doložené je až přistání Holanďana Williema Barentse v roce 1596.

*Dlouhé roky byly Špicberky základnou lovců velryb.

*Přírodovědecký výzkum provedl až v roce 1671 německý lékař Friedrich Martens. *Špicberky byly i východiskem pro polární expedice, včetně výprav Nora Roalda Amundsena nebo italského vzduchoplavce Umberta Nobile ve 20. letech 20. století.

*Koncem loňského roku byla na Špicberkách objevena pravděpodobně nejsevernější krasová jeskyně na světě.

*Na Špicberkách leží také Špicberské globální úložiště semen, které má sloužit pro zachování druhové rozmanitosti semen rostlin z celého světa v podzemní jeskyni při teplotách mezi -10 a -20 °C. Má být pojistkou pro případ globální krize a počítá s kapacitou 2,25 miliardy semen.

Bakterie zvaná Conan

*Deinococcus radiodurans je polyextrémofil. Dokáže přežít silnou radiaci, podchlazení, dehydrataci, podtlak a kyselé prostředí, oxidační činidla. Jeho druhové jméno pochází z řeckého deinos (strašný) a kokkos (jádro, zrno).

*Byl objeven v roce 1956 při experimentech zaměřených na sterilizaci konzervovaných potravin gama zářením. Po ozáření masové konzervy dávkou, která měla zahubit všechno živé, se ze vzorku pod mikroskopem na vědce smál spokojený Deinococcus radiodurans.

Má jedinečný a účinný způsob jak rychle opravovat poškozenou DNA, kterou má pro jistotu ve více kopiích.

*D. radiodurans je schopna odolávat dávkám 5.000 Gy (Gray)  ionizujícího záření a nárazově až 15 000 Gy s 37 % přežitím (5 Gy může být pro člověka smrtelných). Nejvyšší dávka záření z přirozených zdrojů na pozadí naměřená nedaleko íránského Ramsaru představuje 260 mGy /rok.

Vědci také použili odolný Deinococcus jako stabilní knihovnu, zakódovali do relativně malé části DNA píseň, naklonovali ji a ze sté generace klonovaných bakterií si ji mohli přečíst bez jediné chyby.