Czy uda się sprawić, by ekstremalnie wytrzymałe mikroby unieszkodliwiały odpady radioaktywne?
Amerykańscy naukowcy umieścili w wirówce i poddali przyspieszeniu 400 tys. m/s2 (!) bakterię Deinococcus radiodurans, uznawaną za najbardziej wytrzymały mikroorganizm. I tym razem nie udało się jej zniszczyć. Deinococcus radiodurans potrafi też znieść promieniowanie dziesięć tysięcy razy silniejsze od dawki śmiertelnej dla człowieka. "To fenomenalne, jak wiele może wytrzymać ten nieskomplikowany organizm" - komentował wyniki eksperymentu Michael Daly z Uniformed Services University of the Health Sciences w Bethesda podczas konferencji w stanie Maryland poświęconej ekstremalnym formom życia.
Deinococcus radiodurans została odkryta w 1956 r. w stanie Oregon w puszkach z mięsem, które poddane zostały napromieniowaniu. Jej kolonie okazały się odporne na zabójczą dla większości żywych organizmów dawkę promieniowania. Od tamtej pory Deinococcus radiodurans znajdowano w różnych częściach świata, zwykle tam, gdzie inne organizmy wyginęły z powodu zbyt surowych warunków. Bakteria żyje w tak nieprzyjaznych środowiskach, jak woda chłodząca reaktory jądrowe i smagane lodowatym wiatrem skały Arktyki. Najbardziej zaskakujące jest to, że nawet gdy promieniowanie rozbije jej geny na setki kawałków, drobnoustrój potrafi naprawić uszkodzenia zaledwie w kilkanaście godzin. "DNA bakterii przy dawce 1,7 mln radów jest kompletnie posiekane. Mimo że każda komórka posiada od jednego do dwóch tysięcy fragmentów kodu, w ciągu doby wszystkie zostają zreperowane" - zapewnia Michael Daly. Jak tego dokonuje? Ta tajemnica spędza badaczom sen z powiek.
Naukowcy chcą wykorzystać inżynierię genetyczną i sprawić, aby D. radiodurans nabrała apetytu na radioaktywne odpady z elektrowni jądrowych. Mają nadzieję na opracowanie nowej i tańszej metody utylizacji toksycznych odpadów. Organizmy żyjące w ekstremalnych warunkach mogą być użyteczne. Enzym odkryty w bakterii żyjącej w gorących źródłach parku narodowego Yellowstone posłużył do opracowania techniki identyfikacji między innymi osób na podstawie DNA. Jeśli uda się rozszyfrować, w jaki sposób D. radiodurans wymyka się śmierci, możliwe będzie prawdopodobnie zrozumienie działania mechanizmów naprawczych komórki i mechanizmów wywołujących raka. Wyizolowanie genów nadających bakterii jej niewiarygodne zdolności i umieszczenie ich w innych organizmach pozwoliłoby stworzyć pożyteczne szczepy superwytrzymałych mikrobów.
Pierwszym krokiem na tej drodze jest odczytanie kodu genetycznego drobnoustroju. W styczniu jego kompletny genom opublikowali badacze z amerykańskiego The Institute for Genomic Research (TIGR). Okazało się, że składa się on z dwóch chromosomów: jeden liczy 2,6 mln par kwasów nukleinowych, drugi zaś - 400 tys. Zawiera też dwie mniejsze molekuły, tzw. megaplazmidy, zbudowane ze 177 tys. par, i plazmid złożony z 45 tys. par. Chociaż istnieją bakterie posiadające więcej niż jeden chromosom lub megaplazmid, D. radiodurans jest pierwszym mikroorganizmem o tych cechach, którego pełny genom jest nam znany. Badacze odkryli też, że chociaż posiada taki sam zestaw genów naprawczych jak inne bakterie, jego wyjątkowo duża liczba funkcji naprawczych jest niepowtarzalna. "Znajomość genomu D. radiodurans może pomóc w wynalezieniu nowego i niedrogiego narzędzia do utylizacji odpadów. Spodziewamy się, że nasze badania zapoczątkują gwałtowny rozwój mikrobiologii środowiskowej" - komentował odkrycia instytutu prezes TIGR Claire Fraser. "Sądzimy, że przyspieszą również analizy procesów odpowiadających za mechanizmy naprawcze i uodparniające w komórce. Bakteria jest już poddawana eksperymentom mającym na celu wprowadzenie do organizmów nowych genów odpowiadających za inne pożyteczne funkcje. Myślę, że ten wyjątkowy mikrob okaże się bardzo przydatny w nowatorskich procesach przemysłowych, których inne organizmy nie są w stanie przetrwać" - dodaje Fraser. Dzięki rozszyfrowaniu kodu genetycznego superbakterii amerykańskim naukowcom z Uniformed Services University of the Health Sciences w stanie Maryland udało się stworzyć pierwszego mikroba unieszkodliwiającego odpady radioaktywne (na razie badania te są w fazie laboratoryjnej).
Proces usuwania odpadów radioaktywnych jest bardzo kosztowny i skomplikowany. Zwykle są one zakopywane, co prowadzi do skażenia gleby i wód gruntowych. Tylko w Stanach Zjednoczonych rachunek za odratowanie miejsc, w których produkowano broń jądrową, wynosi 300 mld USD (trzy razy więcej od prognozowanego kosztu Międzynarodowej Stacji Kosmicznej - najdroższej inwestycji w dziejach ludzkości). Z badaniami nad superbakterią wiązane są więc wielkie nadzieje. Już dzisiaj wiadomo, że znacznie lepiej znosi ona napromieniowanie niż dotychczas testowane drobnoustroje. Celem genetyków jest stworzenie supermikroba, który będzie łączył w sobie kilka różnych funkcji biologicznych umożliwiających unieszkodliwienie różnych rodzajów odpadów.
Odkrycia z ostatnich lat zmieniły nasze wyobrażenia na temat istnienia życia we wszechświecie. Znaleźliśmy więcej planet poza Układem Słonecznym, niż jest ich w nim. Jeśli inne gwiazdy mają swoje planety, prawdopodobnie istnieją też miejsca, w których mogło się rozwinąć życie. Okazało się, że granice wytyczone życiu przez naturę są znacznie szersze, niż przypuszczaliśmy. Kwitnie ono zarówno w temperaturze 113°C (w gorących źródłach), jak i -15°C (na Antarktydzie). Naukowcy napotkali żywe organizmy trzy kilometry pod powierzchnią lądów i na dnie Rowu Mariańskiego, gdzie są miażdżone ciśnieniem 1200 atmosfer. Życie istnieje również w silnie kwasowych i zasadowych środowiskach, potrafi znieść zabójcze promieniowanie jądrowe. Nie ginie w kosmosie (bakteria Bacillus subtilis przeżyła sześć lat na orbicie) ani na Księżycu (mikroorganizm Streptococcus mitus przetrwał trzy lata na kamerze sondy Surveyor III). Niedawno badacze ożywili drobnoustrój Bacillus wyodrębniony z jelita pszczoły znalezionej w liczącym 20-40 mln lat bursztynie z Dominikany.
Czy życie może istnieć także na innych planetach? Dawniej na Marsie płynęła woda i znajduje się ona pod powierzchnią tej planety prawdopodobnie do dziś. Mogą więc panować tam warunki przyjazne wielu ziemskim organizmom. Również Europa, księżyc Jowisza, może skrywać pod skutą lodem powierzchnią ocean. Na rozwój życia na Ziemi niebagatelny wpływ miały komety i asteroidy, które wielokrotnie przyniosły wodę i materię organiczną lub sprowadziły zagładę na wiele gatunków. Zderzenia komet lub asteroid z planetami prowadzą też do transferu materiału z jednego świata do drugiego. Prawdopodobnie odbywa się to na tyle szybko i łagodnie, że tkwiące we wnętrzu wyrzucanej z planety skały życie nie zostaje zniszczone.
Tę właśnie hipotezę badali naukowcy z Lunar and Planetary Laboratory w Tucson. Grupa Jaya Melosha poddała superbakterię D. radiodurans testom symulującym ekstremalne przyspieszenie, a następnie sprawdzała, co się dzieje, gdy skała jest wyrzucana z powierzchni planety w kosmos. Chociaż wiadomo już, że pewne mikroorganizmy są w stanie przeżyć w przestrzeni kosmicznej, naukowcy nie byli pewni, czy mogą one przetrzymać wszystkie naprężenia występujące podczas takiego zdarzenia. Okazało się, że Deinococcus radiodurans i Bacillus subtilis są wyjątkowo odporne na środowisko próżni, minusowe temperatury i promieniowanie. Obie bakterie uznano za idealne kandydatki do przejażdżki na orbitę. Wcześniej badacze obliczyli, jakie ciśnienia oddziaływałyby na mikroorganizm żyjący w kamieniu wyrzuconym z powierzchni planety. Następnie poddali B. subtilis i D. radiodurans istnym torturom w wirówce: przy przyspieszeniu przekraczającym 400 tys. m/s2 większość bakterii żyła. Podczas wyrzucenia z powierzchni planety skała może jednak doświadczyć bardzo znacznych przyspieszeń zaledwie w kilka mikrosekund. Naukowcy przeprowadzili więc również eksperyment balistyczny, symulujący bardzo gwałtowne przyspieszenia w wyjątkowo krótkim czasie. Wystrzelili umieszczone w naboju bakterie. Znaczna liczba B. subtilis i komórek D. radiodurans przetrwała zderzenie z celem. Porównując symulację komputerową takich zdarzeń w kosmosie z doświadczeniami laboratoryjnymi, badacze doszli do wniosku, że bakterie zostały poddane przyspieszeniom do 25 razy większym niż wielkość niezbędna do wyrzucenia skały z powierzchni Marsa.
Widząc, jak dziwaczne upodobania miewa ziemskie życie, naukowcy coraz częściej mówią o tym, że jest możliwe, iż gdzieś w kosmosie znajdują się proste organizmy. Badania w dziedzinie astrobiologii sponsoruje NASA w nadziei, że dzięki nim specjaliści opracują programy, które ostatecznie zgłębią tajemnicę narodzin życia.
Deinococcus radiodurans została odkryta w 1956 r. w stanie Oregon w puszkach z mięsem, które poddane zostały napromieniowaniu. Jej kolonie okazały się odporne na zabójczą dla większości żywych organizmów dawkę promieniowania. Od tamtej pory Deinococcus radiodurans znajdowano w różnych częściach świata, zwykle tam, gdzie inne organizmy wyginęły z powodu zbyt surowych warunków. Bakteria żyje w tak nieprzyjaznych środowiskach, jak woda chłodząca reaktory jądrowe i smagane lodowatym wiatrem skały Arktyki. Najbardziej zaskakujące jest to, że nawet gdy promieniowanie rozbije jej geny na setki kawałków, drobnoustrój potrafi naprawić uszkodzenia zaledwie w kilkanaście godzin. "DNA bakterii przy dawce 1,7 mln radów jest kompletnie posiekane. Mimo że każda komórka posiada od jednego do dwóch tysięcy fragmentów kodu, w ciągu doby wszystkie zostają zreperowane" - zapewnia Michael Daly. Jak tego dokonuje? Ta tajemnica spędza badaczom sen z powiek.
Naukowcy chcą wykorzystać inżynierię genetyczną i sprawić, aby D. radiodurans nabrała apetytu na radioaktywne odpady z elektrowni jądrowych. Mają nadzieję na opracowanie nowej i tańszej metody utylizacji toksycznych odpadów. Organizmy żyjące w ekstremalnych warunkach mogą być użyteczne. Enzym odkryty w bakterii żyjącej w gorących źródłach parku narodowego Yellowstone posłużył do opracowania techniki identyfikacji między innymi osób na podstawie DNA. Jeśli uda się rozszyfrować, w jaki sposób D. radiodurans wymyka się śmierci, możliwe będzie prawdopodobnie zrozumienie działania mechanizmów naprawczych komórki i mechanizmów wywołujących raka. Wyizolowanie genów nadających bakterii jej niewiarygodne zdolności i umieszczenie ich w innych organizmach pozwoliłoby stworzyć pożyteczne szczepy superwytrzymałych mikrobów.
Pierwszym krokiem na tej drodze jest odczytanie kodu genetycznego drobnoustroju. W styczniu jego kompletny genom opublikowali badacze z amerykańskiego The Institute for Genomic Research (TIGR). Okazało się, że składa się on z dwóch chromosomów: jeden liczy 2,6 mln par kwasów nukleinowych, drugi zaś - 400 tys. Zawiera też dwie mniejsze molekuły, tzw. megaplazmidy, zbudowane ze 177 tys. par, i plazmid złożony z 45 tys. par. Chociaż istnieją bakterie posiadające więcej niż jeden chromosom lub megaplazmid, D. radiodurans jest pierwszym mikroorganizmem o tych cechach, którego pełny genom jest nam znany. Badacze odkryli też, że chociaż posiada taki sam zestaw genów naprawczych jak inne bakterie, jego wyjątkowo duża liczba funkcji naprawczych jest niepowtarzalna. "Znajomość genomu D. radiodurans może pomóc w wynalezieniu nowego i niedrogiego narzędzia do utylizacji odpadów. Spodziewamy się, że nasze badania zapoczątkują gwałtowny rozwój mikrobiologii środowiskowej" - komentował odkrycia instytutu prezes TIGR Claire Fraser. "Sądzimy, że przyspieszą również analizy procesów odpowiadających za mechanizmy naprawcze i uodparniające w komórce. Bakteria jest już poddawana eksperymentom mającym na celu wprowadzenie do organizmów nowych genów odpowiadających za inne pożyteczne funkcje. Myślę, że ten wyjątkowy mikrob okaże się bardzo przydatny w nowatorskich procesach przemysłowych, których inne organizmy nie są w stanie przetrwać" - dodaje Fraser. Dzięki rozszyfrowaniu kodu genetycznego superbakterii amerykańskim naukowcom z Uniformed Services University of the Health Sciences w stanie Maryland udało się stworzyć pierwszego mikroba unieszkodliwiającego odpady radioaktywne (na razie badania te są w fazie laboratoryjnej).
Proces usuwania odpadów radioaktywnych jest bardzo kosztowny i skomplikowany. Zwykle są one zakopywane, co prowadzi do skażenia gleby i wód gruntowych. Tylko w Stanach Zjednoczonych rachunek za odratowanie miejsc, w których produkowano broń jądrową, wynosi 300 mld USD (trzy razy więcej od prognozowanego kosztu Międzynarodowej Stacji Kosmicznej - najdroższej inwestycji w dziejach ludzkości). Z badaniami nad superbakterią wiązane są więc wielkie nadzieje. Już dzisiaj wiadomo, że znacznie lepiej znosi ona napromieniowanie niż dotychczas testowane drobnoustroje. Celem genetyków jest stworzenie supermikroba, który będzie łączył w sobie kilka różnych funkcji biologicznych umożliwiających unieszkodliwienie różnych rodzajów odpadów.
Odkrycia z ostatnich lat zmieniły nasze wyobrażenia na temat istnienia życia we wszechświecie. Znaleźliśmy więcej planet poza Układem Słonecznym, niż jest ich w nim. Jeśli inne gwiazdy mają swoje planety, prawdopodobnie istnieją też miejsca, w których mogło się rozwinąć życie. Okazało się, że granice wytyczone życiu przez naturę są znacznie szersze, niż przypuszczaliśmy. Kwitnie ono zarówno w temperaturze 113°C (w gorących źródłach), jak i -15°C (na Antarktydzie). Naukowcy napotkali żywe organizmy trzy kilometry pod powierzchnią lądów i na dnie Rowu Mariańskiego, gdzie są miażdżone ciśnieniem 1200 atmosfer. Życie istnieje również w silnie kwasowych i zasadowych środowiskach, potrafi znieść zabójcze promieniowanie jądrowe. Nie ginie w kosmosie (bakteria Bacillus subtilis przeżyła sześć lat na orbicie) ani na Księżycu (mikroorganizm Streptococcus mitus przetrwał trzy lata na kamerze sondy Surveyor III). Niedawno badacze ożywili drobnoustrój Bacillus wyodrębniony z jelita pszczoły znalezionej w liczącym 20-40 mln lat bursztynie z Dominikany.
Czy życie może istnieć także na innych planetach? Dawniej na Marsie płynęła woda i znajduje się ona pod powierzchnią tej planety prawdopodobnie do dziś. Mogą więc panować tam warunki przyjazne wielu ziemskim organizmom. Również Europa, księżyc Jowisza, może skrywać pod skutą lodem powierzchnią ocean. Na rozwój życia na Ziemi niebagatelny wpływ miały komety i asteroidy, które wielokrotnie przyniosły wodę i materię organiczną lub sprowadziły zagładę na wiele gatunków. Zderzenia komet lub asteroid z planetami prowadzą też do transferu materiału z jednego świata do drugiego. Prawdopodobnie odbywa się to na tyle szybko i łagodnie, że tkwiące we wnętrzu wyrzucanej z planety skały życie nie zostaje zniszczone.
Tę właśnie hipotezę badali naukowcy z Lunar and Planetary Laboratory w Tucson. Grupa Jaya Melosha poddała superbakterię D. radiodurans testom symulującym ekstremalne przyspieszenie, a następnie sprawdzała, co się dzieje, gdy skała jest wyrzucana z powierzchni planety w kosmos. Chociaż wiadomo już, że pewne mikroorganizmy są w stanie przeżyć w przestrzeni kosmicznej, naukowcy nie byli pewni, czy mogą one przetrzymać wszystkie naprężenia występujące podczas takiego zdarzenia. Okazało się, że Deinococcus radiodurans i Bacillus subtilis są wyjątkowo odporne na środowisko próżni, minusowe temperatury i promieniowanie. Obie bakterie uznano za idealne kandydatki do przejażdżki na orbitę. Wcześniej badacze obliczyli, jakie ciśnienia oddziaływałyby na mikroorganizm żyjący w kamieniu wyrzuconym z powierzchni planety. Następnie poddali B. subtilis i D. radiodurans istnym torturom w wirówce: przy przyspieszeniu przekraczającym 400 tys. m/s2 większość bakterii żyła. Podczas wyrzucenia z powierzchni planety skała może jednak doświadczyć bardzo znacznych przyspieszeń zaledwie w kilka mikrosekund. Naukowcy przeprowadzili więc również eksperyment balistyczny, symulujący bardzo gwałtowne przyspieszenia w wyjątkowo krótkim czasie. Wystrzelili umieszczone w naboju bakterie. Znaczna liczba B. subtilis i komórek D. radiodurans przetrwała zderzenie z celem. Porównując symulację komputerową takich zdarzeń w kosmosie z doświadczeniami laboratoryjnymi, badacze doszli do wniosku, że bakterie zostały poddane przyspieszeniom do 25 razy większym niż wielkość niezbędna do wyrzucenia skały z powierzchni Marsa.
Widząc, jak dziwaczne upodobania miewa ziemskie życie, naukowcy coraz częściej mówią o tym, że jest możliwe, iż gdzieś w kosmosie znajdują się proste organizmy. Badania w dziedzinie astrobiologii sponsoruje NASA w nadziei, że dzięki nim specjaliści opracują programy, które ostatecznie zgłębią tajemnicę narodzin życia.
Więcej możesz przeczytać w 18/2000 wydaniu tygodnika Wprost .
Archiwalne wydania tygodnika Wprost dostępne są w specjalnej ofercie WPROST PREMIUM oraz we wszystkich e-kioskach i w aplikacjach mobilnych App Store i Google Play.