Ζωή σε ακραία περιβάλλοντα

Από την ιστοσελίδα της Independent, 12 Μαΐου 2004

Μικροσκοπικοί οργανισμοί υπάρχουν στα πιο ακραία περιβάλλοντα και μπορούν να μας βοηθήσουν να παραγάγουμε ενέργεια και να απομακρύνουμε τη ρύπανση.

Στο εργαστήριο του Phillip Wright, υπάρχουν κωνικές φιάλες που περιέχουν ένα φωτεινό πράσινο, σκοτεινό ρευστό. Μοιάζει σαν κάτι μύκητες. Στην πραγματικότητα, αυτή η πράσινη σούπα θα μπορούσε μια ημέρα να βρίσκεται στην πρώτη γραμμή μιας νέας οικονομίας της ενέργειας. Τρέφεται με βιομηχανικά απόβλητα και μπορεί να παραγάγει υδρογόνο.

Οι φιάλες περιέχουν καλλιέργειες κυανοβακτηριδίων. Απομονώθηκαν από μια λίμνη στη Λιβύη με μια εξαιρετικά υψηλή συγκέντρωση άλατος. Οι περισσότεροι οργανισμοί θα είχαν 'παστωθεί' σε μια τέτοια ισχυρή συγκέντρωση άλατος. Αυτός όμως αναπτύσσεται.

Αυτό το κυανοβακτηρίδιο είναι ένα παράδειγμα ενός ακραιόφιλου (extremophile), ενός οργανισμού που είναι σε θέση να επιβιώσει σε ακραία όρια από βιολογικής άποψης. Οι μικροοργανισμοί μπορούν να βρεθούν να ζουν κάτω από το μηδέν στις Ανταρκτικές λίμνες, ή σε υδροθερμικές πηγές (θερμά περιβάλλοντα στο βυθό), κάτω από τεράστιες πιέσεις και σε θερμοκρασίες που υπερβαίνουν τους 100^οC. Μπορούν να βρεθούν σε ξηρές, ερημικές περιοχές όπως στην έρημο της Σαχάρας - και, όπως το κυανοβακτηρίδιο του καθηγητή Wright, σε αλμυρές λίμνες.

Έρευνες για ιδιότητες

Ο Wright, του τμήματος Εφαρμοσμένης Μηχανικής Χημικών Ουσιών και Διαδικασιών στο Πανεπιστήμιο του Σέφιλντ, θέλει να ανακαλύψει εάν οι ασυνήθιστες ιδιότητες των ακραιόφιλων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μια σειρά χρήσιμων σκοπών, από τον καθαρισμό της ρύπανσης και την παραγωγή καυσίμων μέχρι την παραγωγή νέων φαρμάκων.

Το κυανοβακτηρίδιο, που ονομάζεται Euhalothece, απομονώθηκε από τις αλμυρές λίμνες στην άκρη της Σαχάρας. Σε αυτές τις λίμνες, η συγκέντρωση του άλατος είναι πολλές φορές ίδια όπως στο θαλασσινό νερό.

Αυτό το κυανοβακτηρίδιο περιέχει χλωροφύλλη - την ίδια πράσινη χρωστική ουσία που τα φυτά χρησιμοποιούν για να παραγάγουν την τροφή τους από την ενέργεια του ήλιου. Εντούτοις, ένα υποπροϊόν της ανάπτυξής τους είναι το υδρογόνο. "Έχουμε βρει ότι οι οργανισμοί αυτοί είναι ανθεκτικοί όχι μόνο στις υψηλές συγκεντρώσεις του άλατος, αλλά επίσης μπορούν να αναπτυχθούν και σε υψηλά επίπεδα άλλων χημικών ουσιών, όπως το πετρέλαιο και άλλων ουσιών, που βρίσκονται στις μολυσμένες περιοχές", λέει ο Wright.

"Έτσι εξετάζουμε εάν είναι δυνατό να λαμβάνουν ως τροφή τα απόβλητα για να παραγάγουν υδρογόνο, ένα χρήσιμο καύσιμο προϊόν. Μπορούμε να φτιάξουμε υδρογόνο από ένα τέτοιο σύστημα σε μια βιομηχανική κλίμακα; Είναι ενδεχομένως πολύ ελκυστικό - να τροφοδοτείται το σύστημα με το φως του ήλιου και να παίρνουμε κάτι χρήσιμο σαν το υδρογόνο".

Στο εργαστήριο του υπάρχουν, επίσης, έξι γυάλινες φιάλες που περιέχουν καλλιέργειες του οργανισμού Sulfolobus, που μεγαλώνει σε ένα περιβάλλον πυκνής αλκοόλης και άλατος και σε μια θερμοκρασία 80^οC. "Αυτά τα μικρόβια ζουν φυσικά σε θερμές πηγές, και μάλιστα αυτοί οι οργανισμοί απομονώθηκαν από τις καυτές θειούχες λίμνες γύρω από τον κόλπο της Νάπολης", αναφέρει ο Wright.

"Τους εξετάζουμε για να δούμε πώς αυξάνονται σε διαφορετικές συγκεντρώσεις οινοπνεύματος. Μπορούν επίσης να αναπτυχθούν σε συνθήκες αρκετά όξινες".

Στις χημικές και φαρμακευτικές βιομηχανίες, πολλές διαδικασίες πραγματοποιούνται σε υψηλές θερμοκρασίες και σε διαλύτες, όπως είναι οι αλκοόλες και οι κετόνες.  Οι περισσότεροι μικροοργανισμοί δεν μπορούν να ανεχτούν τέτοια θερμότητα, και προτιμούν για την ανάπτυξη τους υδάτινα περιβάλλοντα. Έτσι είναι δύσκολο να ενσωματωθούν μικρόβια σε πολλές διαδικασίες - ακόμα κι αν μπορούν να εκτελέσουν σημαντικές χημικές αντιδράσεις. Τα μικρόβια που μπορούν να αντισταθούν στη θερμότητα - τα "θερμόφιλα" ή τα "υπερθερμόφιλα" - θα μπορούσαν να είναι χρήσιμα σε αυτές τις περιστάσεις.

"Αλλά αν οι μικροοργανισμοί αυτοί κάνουν ζυμώσεις σε διαλύματα με οινόπνευμα ή σε υψηλές θερμοκρασίες, έχετε ένα επιλεκτικά αποστειρωμένο περιβάλλον. Και θα μπορούσε αυτό να είναι σημαντικό για την παραγωγή φαρμακευτικών ειδών ή στη βιομηχανία επεξεργασίας των τροφίμων."

Πιεζοανεκτικά μικρόβια

Σε άλλες φιάλες υπάρχει το βακτηρίδιο βάκιλος, που βρέθηκε στη λάσπη στις όχθες των εκβολών του Firth of Forth. Αυτά τα μικρόβια έχουν τη δυνατότητα να αντισταθούν σε τεράστιες πιέσεις, και για αυτό λέγονται "πιεζοανεκτικά". Οι ερευνητές στο Σέφιλντ έχουν απομονώσει 58 διαφορετικά γένη αυτού του βακτηριδίου.

"Μπορούν να αυξάνονται ακόμα και σε πίεση 200 φορές την κανονική ατμοσφαιρική πίεση και σε θερμοκρασία λίγο πιο πάνω από το μηδέν", συνεχίζει ο Wright. "Επίσης, μπορούν να ανθίστανται σε μεγάλες συγκεντρώσεις του άλατος - μέχρι και 20% περιεκτικότητα σε αλάτι. Για σύγκριση το θαλασσινό νερό έχει περίπου 3%".

Με τον ίδιο τρόπο που οι θερμόφιλοι οργανισμοί θα μπορούσαν να βρουν ρόλο σε διαδικασίες υψηλής θερμοκρασίας, πολλά σημαντικά στάδια στην επεξεργασία των χημικών ουσιών πραγματοποιούνται σε υψηλές πιέσεις, άρα αυτά τα πιεζοανθεκτικά μικρόβια είναι ενδεχομένως χρήσιμα.

"Θέλουμε να ξέρουμε τι γίνεται μέσα σε αυτούς τους οργανισμούς όταν αυξάνονται κάτω από αυτές τις ακραίες συνθήκες", λέει ο Wright. "Κοιτάζουμε να δούμε ποια γονίδια είναι ενεργά και ποιες πρωτεΐνες υπάρχουν στον οργανισμό τους. Όταν εξετάζουμε ολόκληρη την ακολουθία των μορίων που παράγονται, βλέπουμε συχνά ασυνήθιστα πράγματα".

Παραδείγματος χάριν, όταν τοποθετούνται μερικά μικρόβια κάτω από ακραία πίεση, το "δακτυλικό αποτύπωμα" των μορίων που παράγει ο οργανισμός - το μεταβολικό σχεδιάγραμμά του - είναι παρόμοιο με αυτό που φαίνεται όταν οι αμυντικοί του μηχανισμοί είναι σε λειτουργία και παράγει αντιμικροβιακές ενώσεις. "Το γεγονός αυτό αυξάνει την πιθανότητα να είναι εφικτό να προκληθεί η παραγωγή νέων αντιβιοτικών αν τοποθετήσουμε αυτούς τους οργανισμούς κάτω από πίεση", συνεχίζει ο Wright.

Κατ' αυτό τον τρόπο έχουν προσδιοριστεί αρκετές νέες ενώσεις, και αυτές στέλνονται στα διάφορα ιδρύματα για να ανακαλυφθούν πιθανές βιολογικές δραστηριότητες. "Παραδείγματος χάριν, έχουμε δει μερικές ενώσεις η δομή των οποίων εμφανίζεται να είναι παρόμοια με αυτήν του αντικαρκινικού φαρμάκου Taxol", αναφέρει ο Wright. "Σκέφτομαι ότι το γεγονός αυτό είναι ένα πεδίο της υπερθερμόφιλης δραστηριότητας που δεν έχει τραβήξει την προσοχή αλλά αξίζει πιο στενή μελέτη".

Η ομάδα του Wright εξετάζει νέους τρόπους για να δημιουργήσει επαρκείς ποσότητες αυτών των οργανισμών για να μπορεί να τους χρησιμοποιήσει παντού. "Η προσπάθεια να φτιαχτούν βιολογικοί αντιδραστήρες που μπορούν να λειτουργήσουν κάτω από ιδιαίτερα δύσκολες συνθήκες με υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις, μεγάλη οξύτητα ή αλμυρότητα αποτελεί πρόκληση για τους βιοχημικούς μηχανικούς. Πρέπει να αναπτύξουμε νέα τεχνολογία βιοαντιδραστήρων για να αντιμετωπίσουμε αυτές τις προκλήσεις".

Οι τρόποι με τους οποίους αυτοί οι οργανισμοί προσαρμόζονται για να επιζήσουν σε αυτές τις ακραίες συνθήκες της θερμοκρασίας, της πίεσης και της αλμυρότητας δεν έχουν μέχρι τώρα κατανοηθεί. Τα κύρια συστατικά των ζωντανών κυττάρων είναι κυρίως οι πρωτεΐνες, αλλά οι περισσότερες είναι πολύ ευαίσθητες στη θερμοκρασία. Και ο κάθε μαθητής ξέρει ότι το ασπράδι των αυγών - η διαφανής ζελατινούχος πρωτεΐνη - αμέσως "μετουσιώνεται" σε μια σκληρή, αδιαφανή μάζα όταν θερμαίνεται.

"Φαίνονται ότι υπάρχουν ορισμένα χαρακτηριστικά δομικά χαρακτηριστικά γνωρίσματα των πρωτεϊνών στα υπερθερμόφιλα που τους επιτρέπουν να αντισταθούν στην υψηλή θερμοκρασία και την πίεση χωρίς να μετουσιώνονται, αλλά δυστυχώς είμαστε μακριά από την επίλυση του προβλήματος".

"Είναι ενδιαφέρον, ότι τα ζωύφια που προσαρμόζονται για να επιζήσουν σε συνθήκες - παραδείγματος χάριν, κάτω από πολύ υψηλές θερμοκρασίες - είναι συχνά ικανά να αντιστέκονται και σε άλλες ακραίες συνθήκες", λέει ο Wright. "Τα υπερθερμόφιλα, παραδείγματος χάριν, συχνά είναι ανεκτικά και σε υψηλές πιέσεις. Φαίνεται ότι οι μηχανισμοί προστασίας εναντίον σε μια ακραία συνθήκη λειτουργούν, επίσης, και για άλλες ακραίες συνθήκες"

Τέτοια έρευνα όπως είναι του καθηγητή Wright καλύπτει τα κενά μας πάνω στη λειτουργία αυτών των οργανισμών, οι οποίοι έχουν τη δυνατότητα να γίνουν ευεργετικά στην ανθρωπότητα.

Βακτήρια σε πυρηνικά απόβλητα

Στον χώρο απόθεσης ραδιενεργών αποβλήτων Χάνφορντ της πολιτείας Ουάσινγκτον, ανακαλύφθηκαν περισσότερα από 100 είδη βακτηρίων. Τα παράξενα μικρόβια ζουν σε χώμα που διαβρέχεται από ραδιενεργά υγρά που ανήκαν στο Πρόγραμμα  Μανχάταν, που οδήγησε στην ανάπτυξη της πυρηνικής βόμβας.  του Προγράμματος Μανχάταν.

Πολλά από τα βακτήρια που ανακαλύφθηκαν δεν αποκλείεται να είναι άγνωστα είδη, όπως υποδεικνύουν γενετικές αναλύσεις γιατί οι πρωτεΐνες που βρέθηκαν είναι αρκετά διαφορετικές από ό,τι ήδη υπάρχει στις διεθνείς βάσεις δεδομένων.

Τα ανθεκτικά στη ραδιενέργεια βακτήρια βρέθηκαν σε ένα μείγμα άμμου, πηλού και λάσπης κάτω από τις δεξαμενές.

Παλαιότερα επιστήμονες  είχαν ανακαλύψει το βακτήριο Kineococcus radiotolerans, το οποίο διαθέτει μηχανισμούς επιδιόρθωσης του DNA τόσο αποτελεσματικούς, ώστε επιβιώνει σε εκατονταπλάσιες δόσεις ακτινοβολίας από ό,τι ο άνθρωπος.