Baktériumok vannak körülöttünk – és ez rendben van

Victoria Orphan szerette az óceánt, amióta csak az eszét tudja. A Csendes-óceánon sznorkelt a családja San Diego-i otthona közelében, Kaliforniában. Megragadta a maszkját és a légzőcsövét, hogy meglátogassa a növények és állatok rejtett világát az óceán felszíne alatt. Orphan az 1990 — es évek elején a Santa Barbarai Kaliforniai Egyetemen tanult. ott felfedezett valamit, ami megváltoztatta az óceánokról és a földi életről alkotott véleményét.

egy másik diák megmutatta neki egy kis üveg tengervizet. Orphan nem gondolta, hogy ennyire érdekesnek tűnik. Ez csak sima régi víz volt. Ezután a másik tanuló fluoreszkáló vegyszert adott a vízhez, és ultraibolya fényt világított rá. A cső kigyulladt, amikor apró baktériumok milliói kezdtek ragyogni. Néhány pillanattal korábban a mikrobák láthatatlanok voltak. “Ezek az apró organizmusok mindenütt ott voltak-mondja Orphan -, és mégsem láttuk őket. Szinte semmit sem tudtunk róluk.”

most tölti napjait feltárása ebben a rejtett egysejtű világban. Geobiológusként a pasadenai Caltech-en, Kaliforniában. azt vizsgálja, hogy a baktériumok és más mikroszkopikus élet hogyan formálják a mélytengeret.

a baktériumok számos ökoszisztémában központi szerepet játszanak. Ezek közé tartozik az óceánok, a talaj és a légkör. Ők is egy nagy része a globális élelmiszer web. A baktériumok lehetővé teszik a Föld minden más életének létezését. Ezért mondják a tudósok, hogy ezek az egysejtű szervezetek minden élet láthatatlan gerincét képezik-legalábbis a Földön.

mégis sok van, amit nem tudunk róluk. A tudósok úgy gondolják, hogy az összes baktériumfaj kevesebb mint egy százalékát azonosították. Ez arra késztette Orphant és másokat, hogy felfedezzék egysejtű világuk rejtélyeit. Azt gyanítják, hogy a baktériumok kulcsfontosságúak lesznek a Föld legfontosabb természeti erőforrásainak megértéséhez és védelméhez.

A metán evők

néhány baktérium nagyon furcsa dolgokat eszik. A tudósok olyan baktériumokat találtak, amelyek sziklákat, szennyvizet — még nukleáris hulladékot is-fogyasztanak. Az Orphan egy olyan baktériumtípust tanulmányoz, amely a tengerfenéken él és metánt zabál fel.

A metán üvegházhatású gáz. A szén-dioxidhoz és más üvegházhatású gázokhoz hasonlóan a levegőbe kerül, amikor az emberek olajat, gázt és szenet égetnek. Vannak természetes metánforrások is, mint például a földgáz, a rizstermelés és a tehéntrágya. Az üvegházhatású gázok csapdába ejtik a hőt a légkörben. Ezeknek a gázoknak a feleslege a Föld légkörében felmelegíti a globális éghajlatot.

metán szivároghat ki a földből a tengerfenéken. Egyes tudósok szerint még több metán jutna a légkörbe, ha nem lennének tengeri baktériumok. Bizonyos baktériumok metánnal táplálkoznak. Ez lehetővé teszi az óceánok számára, hogy hatalmas mennyiségű gázt csapdába ejtsenek. “Ezek a mikroorganizmusok a kapuőrök. Megakadályozzák az óceáni metán bejutását a légkörbe, ahol megváltoztathatja az üvegházhatású gázok szintjét”-magyarázza Orphan.

kihívást jelenthet az egysejtű organizmusok megtalálása a hatalmas tengerfenéken. Egy tengeralattjáró ablakán keresztül kagylóhalmokat és óriás csőférgeket keres. Ezek az organizmusok jelzik, hogy láthatatlan tengeri baktériumok is élnek ott. Bárhol is élnek ezek a metánevők, új molekulákat hoznak létre étkezés közben. Más szervezetek ezeket az új molekulákat táplálékként használják. Egy egész ételháló bukkan fel az óceán fenekén.

Orphan és csapata metánevő baktériumokat talált a repedések mentén a tengerfenéken, ahol ez a gáz szivárog ki. Ezek a repedések gyakran akkor fordulnak elő, amikor két tektonikus lemez ütközik egymásba.

egyes baktériumok, megtudták, csak akkor tudnak metánt enni, ha együttműködnek más egysejtű organizmusokkal, az úgynevezett archaea-val (Ar-KEE-uh). Ez a fontos részlet segíthet a tudósoknak jobban megjósolni, hogy mennyi metán kerül a levegőbe-mondja Orphan.

az árkokban

a Metánevők nem az egyetlen mélytengeri baktérium, amely érdekli a tudósokat. “A mélytengeren nagyon jó mikrobák találhatók” – mondja Jennifer Biddle. Tengeri mikrobiológus a newarki Delaware Egyetemen. Biddle olyan baktériumokat tanulmányoz, amelyek mély óceáni árkokban élnek.

ezek a víz alatti kanyonok a legkevésbé tanulmányozott helyek a Földön. Hihetetlenül nehéz elérni őket. A Challenger Deep megnyeri a bolygó legmélyebb ismert helyének rekordját. A Csendes-óceán nyugati részén, a Mariana-árok alján a Challenger Deep mintegy 11 kilométerre (több mint 7 mérföld) ül az óceán felszíne alatt. Ha a Mount Everest, a világ legmagasabb hegye a Mariana-árokban ülne, csúcsa még mindig több mint egy mérföldnyire lenne a hullámok alatt.

A Mariana-árok az élet egyik legnehezebb helye a túléléshez. Nulla napfény éri el. A hőmérséklete fagyos. A nagy állatok, mint például a bálnák vagy a halak, nem látogathatnak, mert az ottani intenzív nyomás összetörné őket. Kis meglepetés, azután, hogy a helyiek többsége mikroszkopikus. Alkalmazkodtak a szélsőséges körülményekhez.

Biddle és más tudósok összefogtak a mélytengeri felfedezőkkel, hogy tengeralattjárót küldjenek a Challenger Deep-hez. James Cameron vezette a hajót. (Az Avatarról és a Titanicról híres filmrendező.) Cameron 2012 márciusában meglátogatta a Challenger Deep alját, miközben dokumentumfilmet készített Deepsea Challenge 3D. de a sub trek nem csak azért volt, hogy hipnotikus videót kapjon a nagy képernyőn. A hajó az árok aljáról is visszahozta az üledéket.

Biddle és a többi tudós átvizsgálta az üledéket DNS-re. Ismerős baktériumok génjeit kutatták. Bizonyítékot találtak néhány Parcubacteria-ra.

a tudósok 2011-ig nem is tudták, hogy ez a baktériumcsoport létezik. Akkoriban találtak néhányat a talajvízben és a földben néhány helyen a szárazföldön. De Biddle csoportja most megmutatta, hogy az óceán egyik leginkább megközelíthetetlen mélységében is életben marad.

itt, az árokpadlón, a mikrobák nitrogént lélegeztek, nem oxigént (mint a szárazföldön). És ennek van értelme. Alkalmazkodtak a nitrogénhez, mivel otthonuknak kevés hozzáférése volt az oxigénhez.

minél több helyen találunk ilyen kevéssé ismert baktériumokat, mondja Biddle, annál többet tudunk meg arról, hogy mit tesznek az ökoszisztémájukért.

A történet a videó alatt folytatódik.

a kenyértől a bioüzemanyagokig

még a konyhánkban található baktériumok és a komposztkupacok is érdeklik a tudósokat.

a kovászos kenyér akkor kapja meg egyedülálló fanyar ízét, amikor a baktériumok keveréke a kenyérlisztben lévő cukrokat nyalogatja. Ezek a baktériumok szén-dioxidot, savakat és más ízletes vegyületeket állítanak elő. De a működéshez a kovászbaktériumoknak barátaikra van szükségük. Ha csak egy baktériumfajt izolálunk a keverékből, a kémiai reakció nem következik be. Nincs kovász.Steve Singer mikrobiológus San Francisco közelében él, egy kaliforniai városban, amely a kovászos kenyérről híres. A Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium Energiaügyi Minisztériumának dolgozik. És gyanította, hogy felhasználhatja a kovász leckéit, hogy jobb bioüzemanyagokat készítsen. Ezek a növényi alapú üzemanyagok meghajthatják az autókat vagy a teherautókat. “Zöldnek” tekintik őket, ami Földbarátabb, mint a fosszilis tüzelőanyagok.

a bioüzemanyagok előállításához a tudósoknak cukrokra kell bontaniuk a növényeket. Ezeket a cukrokat ezután üzemanyagokká, például etanolokká (egyfajta alkohol) lehet alakítani. A növényeket lebontó kémiai reakciók enzimek segítségét igénylik. Ezek olyan molekulák, amelyek elindítják vagy felgyorsítják a kémiai reakciókat.

a bioüzemanyagok előállításához jelenleg használt enzimek drágák. Nem is működnek jól, mondja Singer. Ezért kutatnak a kutatók világszerte olyan enzimeket, amelyek csökkenthetik a költségeket és felgyorsíthatják a bioüzemanyagok előállítását.

a komposzthalom felé fordította őket. Ott a baktériumközösségek keményen dolgoztak a rothadó gyümölcsök és zöldségek lebontásán.

Singer egy kis mintát vett a komposztból a laboratóriumába. Ott hagyta, hogy a komposztból származó baktériumok egy főzőpohárban növekedjenek. Később összegyűjtötte azokat az enzimeket, amelyeket ezek a baktériumok készítettek, és más növényi biteken tesztelte őket. Működött: az enzimek a növényeket cukrokká bontották.

ahogy a kovászbaktériumoknak szükségük van barátaik működésére, Singer felfedezte, hogy ezek a mikrobák csak akkor termelik a hasznos enzimeket, ha különböző komposztbaktériumok robusztus közösségeinek részei voltak. Singer most bővíti projektjét. Csapata baktériumokat termel hatalmas tartályokban, úgynevezett bioreaktorokban. Miután sok új enzimet készít, tesztelheti, hogy jobban működnek-e, mint a meglévők a növényi hulladékok üzemanyaggá történő átalakításában.

“Ha valamit a környezetből veszünk, és megpróbáljuk kitalálni, hogyan működik, az a mikrobiológus egyik legjobb része” – mondja Singer.

Meta mikrobák

Singer tanulmányozza az új enzimeket anélkül, hogy tudná, mely baktériumok állítják elő őket. Ez nem olyan szokatlan. A baktériumok szabad szemmel láthatatlanok. Még mikroszkóppal is nehéz megkülönböztetni két fajt. Nem úgy néznek ki, mint két madárfaj vagy virág.

a tudósoknak más módszerre volt szükségük, hogy megkülönböztessék a baktériumokat, és tudják, mikor bukkantak újakra. Ennek a nyomozásnak a kulcsa: DNS.

minden organizmus egy kis DNS-t bocsát ki a környezetében. “Olyan, mint egy ujjlenyomat. Mindegyik egyedi ” – magyarázza Kelly Ramirez. Baktériumokat tanulmányoz a Wageningeni Holland ökológiai Intézetben.

tampon a konyhapulton, és lehet, hogy megtalálja az emberi DNS-t (tőled és a szüleidtől). Lehet, hogy van néhány növényi DNS (az imént feldarabolt zöldségekből) és egy-két gomba. Lehet, hogy még kutya vagy macska DNS is van, ha van háziállata. Kapsz egy csomó bakteriális DNS-t is, mert, jól, baktériumok a mindenhol!

az összes leadott genetikai bit környezeti DNS vagy eDNA néven ismert.

a tudósok felhasználhatják ezeket a genetikai ujjlenyomatokat új baktériumok felfedezésére, jegyzi meg Ramirez. Csak el kell vinniük egy kis szennyeződést, tengervizet vagy komposztot a laborba, hogy megnézzék, mi van benne.

a környezet összes genetikai anyagának összegét metagenomnak (MET-uh-GEE-noam) nevezzük. Gondolj rá úgy, mint egy DNS levesre. A különböző organizmusok génjeinek felépítéséhez használt összes molekula összekeveredik.

a tudósok számítógépeket használnak a rendetlenség feloldására.

mint egy szita, a számítógépes programok szűrik a levest. Olyan ismerős mintákat keresnek, amelyeket genetikai szekvenciáknak neveznek. Ezek alkotják a szervezet DNS ujjlenyomatát. Ha a tudósok olyan ujjlenyomatot találnak, amelyet nem ismernek fel, az lehet, hogy valamilyen új fajból származik.

a tudósok összehasonlíthatják ezeket a mintákat az ismerős baktériumok ujjlenyomataival, hogy lássák, hol esnek az új baktériumok az élet fájába. “Most új mikrobákat fedezhetünk fel anélkül, hogy valaha is látnánk őket” – magyarázza Biddle a Delaware Egyetemen.

az életfa bakteriális ága gyorsabban csírázik új hajtásokat és ágakat, mint a történelem során bármikor. Harminc évvel ezelőtt a bolygó összes ismert egysejtű organizmusa egy tucat fő csoportba illeszkedik. Most körülbelül 120 ismert csoport van, vagy phyla (FY-lah). Az egyes csoportokban a megnevezett baktériumok száma naponta növekszik.

kis élet, nagy adatok

mit kapunk, ha összeadjuk milliónyi új baktérium DNS-szekvenciáját? Sok-sok adat.

gondolhatunk a bolygóra, mint egy gépre, és a Föld összes ökoszisztémájára, mint a gép alkatrészeire, mondja Jack Gilbert. Mindezek a bakteriális DNS-adatok kulcsfontosságúak ahhoz, hogy “megértsük azokat a részeket, amelyek a gépet alkotják, és hogyan működnek együtt” – mondja. Gilbert mikrobiológus a Chicago melletti Argonne Nemzeti Laboratóriumban, beteg.

csapata megpróbálja ezeket az adatokat a Föld összes baktériumának virtuális katalógusába rendezni. Ez a Föld mikrobiom projekt. Világszerte több mint 1000 tudós segít a minták gyűjtésében. Különböző környezetekben kutatnak, aztán tesztelik őket bakteriális DNS-re.

eddig a kutatók 100 000 mintát gyűjtöttek. Katalogizálták a baktériumokat a legmélyebb óceánból. Baktériumokat találtak a Nemzetközi Űrállomáson, mintegy 350 kilométerre (220 mérföld) a föld felett. Olyan egzotikus helyeken fedeztek fel baktériumokat, mint az amazonasi esőerdő, és olyan közönséges helyeken, mint a nyilvános WC-k.

annak felfedezése, hogy mely baktériumok rejtőznek ott — és miért — az első lépés annak megértéséhez, hogy a különböző ökoszisztémák hogyan vezetik azt a hatalmas gépet, amelyet földi életnek gondolunk. A baktériumok megismerése segíthet megválaszolni a bolygónk működésével kapcsolatos kérdéseket-mondja Gilbert. A baktériumok megmagyarázhatják, hogy az óceánban lévő korallzátonyok miért tele vannak élettel. Vagy megmagyarázhatják, hogy az észak-amerikai préri talajai miért olyan jók a növények ültetésére.

ezért olyan fontos ez a keresés, azt mondja: “Ez a tudás segíthet abban, hogy jobban vigyázzunk a bolygóra.”