Bakteereja on kaikkialla ympärillämme-ja se ei haittaa

Victoria Orpo on rakastanut merta niin kauan kuin muistaa. Hänellä oli tapana snorklata Tyynellämerellä lähellä perheensä kotia San Diegossa, Kaliforniassa. Hän nappasi naamionsa ja snorkkeliputkensa käydäkseen kasvien ja eläinten kätkössä meren pinnan alla. Orpo opiskeli Kalifornian yliopistossa Santa Barbarassa 1990 — luvun alussa ja huomasi siellä jotain, mikä muutti hänen ajatusmaailmaansa valtameristä-ja elämästä maapallolla.

toinen oppilas näytti hänelle pientä purkkia merivettä. Orpon mielestä se ei näyttänyt kovin mielenkiintoiselta. Se oli pelkkää vettä. Sitten toinen oppilas lisäsi veteen fluoresoivaa kemikaalia ja loisti siihen ultraviolettivaloa. Putki syttyi, kun miljoonat pikkuruiset bakteerit alkoivat hehkua. Vain hetkeä aiemmin mikrobit olivat olleet näkymättömiä. ”Näitä pieniä eliöitä oli joka puolella”, Orpo sanoo. ” silti niitä ei näkynyt. Emme tienneet heistä juuri mitään.”

hän viettää nyt päivänsä tutkien tätä piilotettua yksisoluista maailmaa. Geobiologina Caltechissa Pasadenassa, Califissa. hän tutkii, miten bakteerit ja muut mikroskooppiset eliöt muokkaavat syvää merta.

bakteereilla on keskeinen rooli monissa ekosysteemeissä. Näitä ovat valtameret, maaperä ja ilmakehä. Ne ovat myös iso osa globaalia ruokaverkostoa. Bakteerit mahdollistavat kaiken muun elämän maapallolla. Siksi tutkijat sanovat, että yksisoluiset organismit ovat kaiken elämän näkymätön selkäranka-ainakin maapallolla.

Yet there ’s plenty we don’ t know about them. Tutkijat arvelevat tunnistaneensa alle prosentin kaikista bakteerilajeista. Se on ajanut Orpon ja muut tutkimaan yksisoluisen maailmansa mysteerejä. He epäilevät bakteerien olevan avain maapallon tärkeimpien luonnonvarojen ymmärtämiseen — ja suojelemiseen.

metaaninsyöjät

jotkut bakteerit syövät todella outoja asioita. Tutkijat ovat löytäneet bakteereja, jotka syövät kiviä, jätevettä — jopa ydinjätettä. Orpo tutkii merenpohjassa eläviä bakteereita, jotka ahmivat metaania.

metaani on kasvihuonekaasu. Hiilidioksidin ja joidenkin muiden kasvihuonekaasujen tavoin sitä pääsee ilmaan, kun ihmiset polttavat öljyä, kaasua ja hiiltä. On myös luonnollisia metaanin lähteitä, kuten maakaasua, riisintuotantoa ja lehmänlantaa. Kasvihuonekaasut sitovat lämpöä ilmakehään. Näiden kaasujen ylimäärä Maan ilmakehässä on lämmittänyt maapallon ilmastoa.

metaania voi tihkua maasta merenpohjaan. Joidenkin tutkijoiden mukaan ilmakehään karkaisi jopa enemmän metaania ilman merien bakteereja. Osa bakteereista syö metaania. Sen ansiosta meret voivat pyydystää valtavan määrän kaasua. ”Nämä pieneliöt ovat portinvartijoita. Ne estävät valtamerten metaanin pääsyn ilmakehään, jossa se voi muuttaa kasvihuonekaasujen määrää, Orpo kertoo.

yksisoluisten eliöiden löytäminen laajalta merenpohjalta voi olla haastavaa. Sukellusveneen ikkunasta hän etsii simpukoita ja jättiputkimatoja. Eliöt viestivät, että sielläkin elää näkymättömiä meribakteereja. Missä metaaninsyöjät asuvatkin, ne luovat uusia molekyylejä syödessään. Toiset eliöt käyttävät näitä uusia molekyylejä ravintonaan. Kokonainen ruokaverkko pulppuaa merenpohjasta.

Orpo ryhmineen on löytänyt metaania syöviä bakteereja merenpohjan halkeamista, joista tämä kaasu tihkuu ulos. Nämä halkeamat syntyvät usein, kun kaksi mannerlaattaa törmäävät toisiinsa.

jotkut bakteerit voivat heidän oppimansa mukaan syödä metaania vain pariutumalla muiden yksisoluisten eliöiden kanssa, joita kutsutaan archaiaksi (Ar-KEE-uh). Se tärkeä yksityiskohta voisi auttaa tutkijoita ennustamaan paremmin, kuinka paljon metaania karkaa ilmaan, Orpo sanoo.

juoksuhaudoissa

Metaaninsyöjät eivät ole ainoita syvänmeren bakteereja, jotka kiinnostavat tutkijoita. ”Syvässä meressä elää aika siistejä mikrobeja”, Jennifer Biddle sanoo. Hän on merimikrobiologi Delawaren yliopistossa Newarkissa. Biddle tutkii meren syvissä juoksuhaudoissa eläviä bakteereja.

nämä vedenalaiset kanjonit ovat maapallon vähiten tutkittuja paikkoja. Heitä on vaikea tavoittaa. Challenger Deep voittaa maailman syvimmän tunnetun paikan ennätyksen. Challenger Deep sijaitsee Mariaanien kaivannon pohjalla Tyynenmeren länsiosassa noin 11 kilometriä meren pinnan alapuolella. Jos Mount Everest, maailman korkein vuori, istuisi Mariaanien kaivannossa, sen huippu olisi yhä yli kilometrin aaltojen alapuolella.

Mariaanien kaivanto on yksi elämän vaikeimmista paikoista selviytyä. Nolla auringonvaloa saavuttaa sen. Sen lämpötila on jääkylmä. Suuret eläimet, kuten valaat tai kalat, eivät voi käydä, koska siellä vallitseva voimakas paine murskaisi ne. Ei siis ihme, että suurin osa paikallisista on mikroskooppisen pieniä. He ovat sopeutuneet sen ääriolosuhteisiin.

Biddle ja muut tutkijat liittoutuivat syvänmeren löytöretkeilijöiden kanssa lähettääkseen sukellusveneen Challenger Deepille. James Cameron luotsasi alusta. (Hän on Avatar-ja Titanic-elokuvista tunnettu elokuvaohjaaja.) Cameron vieraili Challenger Deepin pohjassa maaliskuussa 2012 tehdessään dokumenttia nimeltä Deepsea Challenge 3D. Alus toi mukanaan myös sedimenttiä kaivannon pohjasta.

Biddle ja muut tutkijat seuloivat sedimentistä DNA: ta. He etsivät tuttujen bakteerien geenejä. He löysivät todisteita Parcubacteriasta.

tutkijat eivät edes tienneet tämän suuren bakteeriryhmän olemassaolosta ennen vuotta 2011. Silloin niitä löytyi pohjavedestä ja maasta muutamasta paikasta. Mutta biddlen ryhmä osoitti nyt, että se selviää myös yhdessä vaikeapääsyisimmistä syvyyksistä meressä.

täällä kaivannon lattialla mikrobit hengittivät typpeä, eivät happea (kuten maalla). Siinä on järkeä. He olivat sopeutuneet typpeen, koska heidän kodissaan ei ollut juurikaan happea.

Mitä useammasta paikasta löydämme tällaisia vähän tunnettuja bakteereja, Biddle sanoo, sitä enemmän voimme oppia siitä, mitä ne tekevät ekosysteeminsä hyväksi.

juttu jatkuu videon alla.

leivästä biopolttoaineisiin

jopa keittiöidemme ja kompostikasojemme bakteerit kiinnostavat tutkijoita.

hapanjuurileipä saa ainutlaatuisen kirpeän makunsa, kun bakteerisekoitus mutustelee leipäjauhon sokereita. Nämä bakteerit tuottavat hiilidioksidia, happoja ja muita aromiyhdisteitä. Mutta toimiakseen hapanjuuribakteerit tarvitsevat ystäviään. Jos yhdisteestä eristetään vain yksi bakteerilaji, kemiallista reaktiota ei tapahdu. Ei hapantaikinaa.

mikrobiologi Steve Singer asuu lähellä San Franciscoa, kalifornialaista kaupunkia, joka on kuuluisa hapanjuurileivästä. Hän työskentelee Lawrence Berkeley National Laboratoryn energiaministeriössä. Hän epäili, että voisi hyödyntää hapantaikinan oppeja tehdäkseen parempia biopolttoaineita. Näillä kasvipohjaisilla polttoaineilla voidaan käyttää henkilö-tai kuorma-autoja. Niitä pidetään fossiilisia polttoaineita” vihreinä ” eli Maaystävällisempinä.

biopolttoaineiden valmistamiseksi tutkijoiden on jaettava kasvit sokereiksi. Nämä sokerit voidaan sitten muuttaa polttoaineiksi, kuten etanoliksi (eräs alkoholityyppi). Kasveja hajottavat kemialliset reaktiot vaativat apua entsyymeiltä. Nämä ovat molekyylejä, jotka käynnistävät tai nopeuttavat kemiallisia reaktioita.

biopolttoaineiden valmistuksessa nykyisin käytettävät entsyymit ovat kalliita. Ne eivät myöskään toimi hyvin, Singer sanoo. Siksi tutkijat ympäri maailmaa etsivät entsyymejä, jotka voisivat alentaa kustannuksia ja nopeuttaa biopolttoaineiden tuotantoa.

hän käänsi niiden etsinnän kompostikasaan. Siellä bakteeriyhteisöt tekivät kovasti töitä hajottaakseen mätäneviä hedelmiä ja vihanneksia.

Singer otti kompostista pienen näytteen takaisin laboratorioonsa. Siellä hän antoi kompostin bakteerien kasvaa dekantterilasissa. Myöhemmin hän keräsi näiden bakteerien valmistamia entsyymejä ja testasi niitä muilla kasvinpaloilla. Se toimi: entsyymit hajottivat kasvit sokereiksi.

juuri kun hapanjuuribakteerit tarvitsevat ystäviään toimiakseen, Singer havaitsi, että nämä mikrobit tuottivat hyödyllisiä entsyymejä vain silloin, kun ne kuuluivat eri kompostibakteerien vankkoihin yhteisöihin. Singer laajentaa nyt projektiaan. Hänen tiiminsä kasvattaa bakteereja valtavissa, bioreaktoreiksi kutsutuissa sammioissa. Kun hän on valmistanut paljon uusia entsyymejä, hän voi testata, toimivatko ne nykyisiä paremmin kasvien jätteiden muuntamisessa polttoaineiksi.

”jonkin asian ottaminen ympäristöstä ja sen toimivuuden selvittäminen on mikrobiologina olemisen parhaita puolia”, Singer sanoo.

Meta microbes

Singer tutkii uusia entsyymejään tietämättä, mitkä bakteerit niitä valmistavat. Tämä ei ole kovin epätavallista. Bakteerit ovat näkymättömiä paljaalle silmälle. Mikroskoopillakin kahden lajin erottaminen toisistaan voi olla vaikeaa. Ne eivät näytä niin erilaisilta kuin kaksi lintu-tai kukkalajia.

tutkijat tarvitsivat erilaisen tavan erottaa bakteerit toisistaan ja tietää, milloin ne ovat törmänneet uusiin. Avain tähän nuuskintaan on DNA.

kaikki eliöt erittävät hieman DNA: ta koko ympäristössään. ”Se on kuin sormenjälki. Jokainen on ainutlaatuinen”, kertoo Kelly Ramirez. Hän tutkii bakteereja Netherlands Institute of Ecology-yliopistossa Wageningenissä.

Pyyhkäise keittiön Tiskipöytä ja saatat löytää ihmisen DNA: ta (sinulta ja vanhemmiltasi). Siinä voi olla jonkin verran kasvien DNA: ta (juuri leikkaamistasi kasviksista) ja sienestä tai kahdesta. Voi olla jopa koiran tai kissan DNA: ta, jos on lemmikki. Saat myös joukon bakteerien DNA: ta, koska, no, bakteerit a kaikkialla!

kaikki valetut geneettiset bitit tunnetaan ympäristö-DNA: na eli ednana.

tutkijat voivat käyttää näitä geneettisiä sormenjälkiä uusien bakteerien löytämiseen, Ramirez huomauttaa. Labraan pitää tuoda vähän likaa, merivettä tai kompostia ja katsoa, mitä siellä on.

ympäristön kaiken geneettisen materiaalin summaa kutsutaan metagenomiksi (MET-uh-Gee-noam). Ajattele sitä DNA-keittona. Kaikki molekyylit, joita käytetään eri eliöiden geenien rakentamiseen, sekoittuvat toisiinsa.

tutkijat selvittävät sotkua tietokoneiden avulla.

siivilän tavoin tietokoneohjelmat suodattavat soppaa. He etsivät tuttuja kuvioita, joita kutsutaan geneettisiksi sekvensseiksi. Ne muodostavat organismin DNA-sormenjäljen. Jos tutkijat löytävät sormenjäljen, jota he eivät tunnista, se voi johtua siitä, että se on jostain uudesta lajista.

tutkijat voivat verrata näitä kuvioita tuttujen bakteerien sormenjälkiin nähdäkseen, mihin uudet bakteerit kuuluvat elämän puun sisään. ”Voimme nyt löytää uusia mikrobeja näkemättä niitä koskaan”, selittää Biddle Delawaren yliopistosta.

elämänpuun bakteeriraaja itää uusia versoja ja oksia nopeammin kuin kertaakaan historiassa. Kolmekymmentä vuotta sitten kaikki tunnetut yksisoluiset eliöt planeetalla sopivat tusinaan pääryhmään. Nykyisin tunnetaan noin 120 ryhmää eli fylaa (FY-lah). Ja nimettyjen bakteerien määrä kussakin ryhmässä kasvaa päivittäin.

pieni elämä, big data

mitä saadaan, kun lasketaan yhteen miljoonien uusien bakteerien DNA-jaksot? Paljon dataa.

voit ajatella planeettaa koneena ja kaikkia maapallon ekosysteemejä koneen osina, Jack Gilbert sanoo. Kaikki nämä bakteerien DNA: ta koskevat tiedot ovat avainasemassa” koneen osien ymmärtämisessä ja siinä, miten ne kaikki toimivat yhdessä”, hän sanoo. Gilbert työskentelee mikrobiologina Argonne National Laboratoryssa lähellä Chicagoa.

hänen tiiminsä yrittää järjestää nuo tiedot virtuaaliseksi luetteloksi kaikista maapallon bakteereista. Sen nimi on maan Mikrobiomiprojekti. Yli 1 000 tutkijaa ympäri maailmaa auttaa näytteiden keräämisessä. He etsivät monista eri ympäristöistä ja testaavat sitten bakteerien DNA: ta.

tähän mennessä tutkijat ovat keränneet 100 000 näytettä. He ovat luetteloineet bakteereja syvimmästä valtamerestä. He ovat löytäneet bakteereja Kansainväliseltä avaruusasemalta noin 350 kilometrin korkeudelta maasta. He ovat löytäneet bakteereja eksoottisista paikoista, kuten Amazonin sademetsästä ja tavallisista paikoista, kuten julkisista vessoista.

sen selvittäminen, mitkä bakteerit siellä vaanivat — ja miksi — on ensimmäinen askel sen ymmärtämiseksi, miten erilaiset ekosysteemit ajavat sitä valtavaa konetta, jota pidämme elämänä maapallolla. Bakteereista oppiminen voi auttaa meitä vastaamaan kysymyksiin siitä, miten planeettamme toimii, Gilbert sanoo. Bakteerit saattavat selittää, miksi meren koralli kuhisee elämää. Tai he voisivat selittää, miksi Pohjois-Amerikan preerian maaperä on niin hyvä viljelykasvien istuttamiseen.

siksi tämä etsintä on niin tärkeä, hän sanoo: ”Tämä on tietoa, joka voi auttaa meitä pitämään parempaa huolta planeetasta.”