Bakterier finns runt omkring oss-och det är okej

Victoria Orphan har älskat havet så länge hon kan komma ihåg. Hon brukade snorkla i Stilla havet nära familjens hem i San Diego, Kalifornien. Hon tog tag i sin mask och snorkelrör för att besöka den dolda världen av växter och djur under havets yta. Orphan gick på college vid University of California, Santa Barbara i början av 1990 — talet. där upptäckte hon något som förändrade hur hon tänkte på oceanerna-och livet på jorden.

en annan student visade henne en liten flaska havsvatten. Orphan tyckte inte att det såg så intressant ut. Det var bara vanligt gammalt vatten. Sedan tillsatte den andra studenten en fluorescerande kemikalie till vattnet och skenade ultraviolett ljus på den. Röret tändes när miljontals små bakterier började glöda. Bara några ögonblick tidigare hade mikroberna varit osynliga. ”Dessa små organismer var överallt”, säger Orphan, ” och ändå kunde vi inte se dem. Vi visste nästan ingenting om dem.”

hon tillbringar nu sina dagar med att utforska denna dolda encelliga Värld. Som geobiolog vid Caltech i Pasadena, Kalifornien., studerar hon hur bakterier och annat mikroskopiskt liv formar djuphavet.

bakterier spelar centrala roller i många ekosystem. Dessa inkluderar hav, jord och atmosfär. De är också en stor del av den globala livsmedelswebben. Bakterier gör det möjligt för allt annat liv på jorden att existera. Därför säger forskare att dessa encelliga organismer är den osynliga ryggraden i allt liv — åtminstone på jorden.

ändå finns det mycket vi inte vet om dem. Forskare tror att de har identifierat färre än en procent av alla bakteriearter. Det har drivit Orphan och andra för att Utforska mysterierna i deras encellade Värld. De misstänker att bakterier kommer att vara nyckeln till att förstå — och skydda — jordens viktigaste naturresurser.

metanätarna

vissa bakterier äter riktigt konstiga saker. Forskare har hittat bakterier som äter stenar, avloppsvatten — även kärnavfall. Orphan studerar en typ av bakterier som lever på havsbotten och slukar metan.

metan är en växthusgas. Liksom koldioxid och några andra växthusgaser kommer den in i luften när människor bränner olja, gas och kol. Det finns också naturliga källor till metan, såsom naturgas, risproduktion och kogödsel. Växthusgaser fångar värme i atmosfären. Ett överskott av dessa gaser i jordens atmosfär har värmt det globala klimatet.

metan kan sippra ut ur jorden på havsbotten. Vissa forskare säger att ännu mer metan skulle fly ut i atmosfären om det inte var för marina bakterier. Vissa av dessa bakterier äter på metan. Det gör att oceanerna kan fånga en stor mängd gas. ”Dessa mikroorganismer är portvakterna. De förhindrar att havsmetan kommer in i atmosfären där det kan förändra växthusgasnivåerna,” förklarar Orphan.

att hitta encelliga organismer på det stora havsbotten kan vara en utmaning. Genom fönstret på en ubåt letar hon efter kluster av musslor och jätte rörmaskar. Dessa organismer signalerar att osynliga Marina bakterier bor där också. Varhelst dessa metanätare lever, skapar de nya molekyler när de äter. Andra organismer använder dessa nya molekyler som mat. En hel matväv springer upp på havsbotten.

Orphan och hennes team har hittat metanätande bakterier längs sprickor på havsbotten, där denna gas sipprar ut. Dessa sprickor händer ofta där två tektoniska plattor stöter på varandra.

vissa bakterier, de lärde sig, kan bara äta metan genom att samarbeta med andra encelliga organismer som kallas archaea (Ar-KEE-uh). Den viktiga detaljerna kan hjälpa forskare att bättre förutsäga hur mycket metan som flyr ut i luften, säger Orphan.

i skyttegravarna

Metanätare är inte de enda djuphavsbakterierna som intresserar forskare. ”Djuphavet är hem för några ganska coola mikrober”, säger Jennifer Biddle. Hon är en marin mikrobiolog vid University of Delaware i Newark. Biddle studerar bakterier som lever i djupa havsgravar.

dessa undervattenskanjoner är några av de minst studerade platserna på jorden. De är otroligt svåra att nå. Challenger Deep vinner rekordet för den djupaste kända platsen på planeten. Längst ner i Mariana Trench, i västra Stilla havet, Challenger Deep sitter cirka 11 kilometer (mer än 7 miles) under havsytan. Om Mount Everest, världens högsta berg, satt i Mariana Trench, skulle dess topp fortfarande vara mer än en mil under vågorna.

Mariana Trench är en av de tuffaste platserna för livet att överleva. Noll solljus når det. Dess temperaturer är frigid. Stora djur, som valar eller fiskar, kan inte besöka eftersom det intensiva trycket där skulle krossa dem. Liten överraskning då att de flesta lokalbefolkningen är mikroskopiska. De har anpassat sina extrema förhållanden.

Biddle och andra forskare samarbetade med djuphavsutforskare för att skicka en ubåt till Challenger Deep. James Cameron styrde fartyget. (Han är filmregissören känd för Avatar och Titanic.) Cameron besökte botten av Challenger Deep I mars 2012 medan han gjorde en dokumentär som heter Deepsea Challenge 3D. men subens vandring var inte bara för att få fascinerande video för storskärmen. Fartyget tog också tillbaka sediment från botten av grävningen.

Biddle och de andra forskarna screenade det sedimentet för DNA. De letade efter gener av bekanta bakterier. De visade upp bevis på några kända som Parcubacteria.

forskare visste inte ens att denna stora grupp av bakterier fanns till 2011. Då, de hittade några i grundvatten och smuts från några platser på land. Men Biddles grupp visade nu att den också överlever i ett av de mest otillgängliga djupen i havet.

här, på grävgolvet, andades mikroberna kväve, inte syre (som de gjorde på land). Och det är vettigt. De hade anpassat sig till kväve eftersom deras hem hade liten tillgång till syre.

ju fler platser vi hittar sådana lite kända bakterier, säger Biddle, desto mer kan vi lära oss om vad de gör för sina ekosystem.

Berättelsen fortsätter under videon.

från bröd till biobränslen

även bakterierna i våra kök och komposthögar intresserar forskare.

surdegsbröd får sin unika syrliga smak när en blandning av bakterier mumsar på sockerarterna i brödmjöl. Dessa bakterier gör koldioxid, syror och andra smakrika föreningar. Men för att fungera behöver surdegsbakterier sina vänner. Isolera bara en bakterieart från blandningen och den kemiska reaktionen kommer inte att hända. Ingen surdeg.

mikrobiologen Steve Singer bor nära San Francisco, en stad i Kalifornien känd för surdegsbröd. Han arbetar för Institutionen för energi vid Lawrence Berkeley National Laboratory. Och han misstänkte att han kunde använda lärdomarna av surdeg för att göra bättre biobränslen. Dessa växtbaserade bränslen kan driva bilar eller lastbilar. De anses vara ”gröna”, vilket betyder mer jordvänliga än fossila bränslen.

för att göra biobränslen måste forskare bryta ner växter i sockerarter. Dessa sockerarter kan sedan omvandlas till bränslen som etanol (en typ av alkohol). De kemiska reaktioner som bryter ner växterna kräver hjälp från enzymer. Dessa är molekyler som startar eller påskyndar kemiska reaktioner.

de enzymer som för närvarande används för att göra biobränslen är dyra. De fungerar inte heller bra, säger Singer. Därför söker forskare över hela världen efter enzymer som kan sänka kostnaden och påskynda produktionen av biobränslen.

han vände sin sökning efter dem till komposthögen. Där var bakteriesamhällen hårt på jobbet att bryta ner ruttande frukter och grönsaker.

Singer tog ett litet prov av komposten tillbaka till sitt labb. Där lät han bakterier från komposten växa i en bägare. Senare samlade han enzymer som dessa bakterier gjorde och testade dem på andra växtbitar. Det fungerade: enzymerna bröt ner växterna i sockerarter.precis som surdegsbakterierna behöver sina vänner för att fungera upptäckte Singer att dessa mikrober producerade de användbara enzymerna endast när de var en del av robusta samhällen av olika kompostbakterier. Singer skalar nu upp sitt projekt. Hans team odlar bakterier i stora kärl som kallas bioreaktorer. Efter att han gjort massor av de nya enzymerna kan han testa om de fungerar bättre än befintliga för att omvandla växtavfall till bränslen.

”att ta något från miljön och försöka lista ut hur det fungerar är en av de bästa delarna av att vara mikrobiolog”, säger Singer.

Meta microbes

Singer studerar sina nya enzymer utan att veta vilka bakterier som gör dem. Det här är inte så ovanligt. Bakterier är osynliga för det blotta ögat. Även med ett mikroskop kan det vara svårt att skilja två arter från varandra. De ser inte lika olika ut som två arter av fåglar eller blommor.

forskare behövde ett annat sätt att skilja bakterier från varandra och veta när de har snubblat på nya. Nyckeln till denna sleuthing: DNA.

alla organismer kasta lite DNA i hela sin miljö. ”Det är som ett fingeravtryck. Var och en är unik,” förklarar Kelly Ramirez. Hon studerar bakterier vid Nederländska Institutet för ekologi i Wageningen.

Swab din köksbänk och du kan hitta mänskligt DNA (från dig och dina föräldrar). Det kan finnas något växt-DNA (från de grönsaker du bara skär upp) och från en svamp eller två. Det kan till och med finnas någon hund eller katt DNA om du har ett husdjur. Du får också en massa bakteriellt DNA eftersom, ja, bakterier a överallt!

alla avgjutna genetiska bitar är kända som miljö-DNA eller eDNA.

forskare kan använda dessa genetiska fingeravtryck för att upptäcka nya bakterier, noterar Ramirez. De behöver bara ta med lite smuts eller havsvatten eller kompost till ett labb och kolla vad som finns i det.

summan av allt genetiskt material i en miljö kallas metagenomet (MET-uh-GEE-noam). Tänk på det som en DNA-soppa. Alla molekyler som används för att bygga gener från olika organismer blandas ihop.

forskare använder datorer för att lossa röran.

som en sil filtrerar datorprogram soppan. De letar efter bekanta mönster som kallas genetiska sekvenser. De bildar en organisms DNA-fingeravtryck. Om forskare hittar ett fingeravtryck som de inte känner igen kan det bero på att det kommer från några nya arter.

forskare kan jämföra dessa mönster med fingeravtryck av bekanta bakterier för att se var de nya bakterierna faller inom livets träd. ”Vi kan nu upptäcka nya mikrober utan att någonsin se dem”, förklarar Biddle vid University of Delaware.

den bakteriella delen av livets träd sprider nya skott och grenar snabbare än någon gång i historien. För trettio år sedan passar alla kända encelliga organismer på planeten in i ett dussin stora grupper. Nu finns det cirka 120 kända grupper, eller phyla (FY-lah). Och antalet namngivna bakterier i varje grupp växer dagligen.

Little life, big data

vad får du när du lägger upp DNA-sekvenserna av miljontals nya bakterier? Massor av data.

Du kan tänka på planeten som en maskin, och alla ekosystem på jorden som maskinens delar, säger Jack Gilbert. Alla dessa data om bakteriellt DNA är nyckeln till att” förstå de delar som utgör maskinen och hur de alla arbetar tillsammans”, säger han. Gilbert är mikrobiolog vid Argonne National Laboratory nära Chicago, sjuk.

hans team försöker organisera dessa data i en virtuell katalog över alla bakterier på jorden. Det kallas Earth Microbiome Project. Mer än 1000 forskare runt om i världen hjälper till att samla in prover. De letar i en mängd olika miljöer och testar dem sedan för bakteriellt DNA.

hittills har forskarna samlat in 100 000 prover. De har katalogiserat bakterier från det djupaste havet. De har hittat bakterier på den internationella rymdstationen, cirka 350 kilometer (220 miles) över jorden. De har upptäckt bakterier på exotiska platser som Amazonas regnskog och vanliga platser som offentliga toaletter.att upptäcka vilka bakterier som lurar där — och varför-är det första steget för att förstå hur olika ekosystem driver den stora maskinen vi tänker på som livet på jorden. Att lära sig om bakterier kan hjälpa oss att svara på frågor om hur vår planet fungerar, säger Gilbert. Bakterier kan förklara varför korallrev i havet vimlar av liv. Eller de kan förklara varför jordarna i den nordamerikanska prärien är så bra för att plantera grödor.det är därför denna sökning är så viktig, säger han: ”det här är kunskap som kan hjälpa oss att ta bättre hand om planeten.”