Solne schrony dla bakterii

Jak przetrwać bez wody w ekstremalnym środowisku? W mikroświecie jest wiele metod, a jedna z nich została ostatnio opisana przez Hiszpanów z LBMARS. Bakterie manipulują procesem krystalizacji soli, tworząc sobie "schrony" gdzie mogą przetrwać najgorsze warunki. Dlatego odkrycie najbardziej interesuje naukowców zaangażowanych w poszukiwanie śladów życia poza Ziemią.

Bakteria E.coli jest standardowym modelem badawczym i jednym z najlepiej poznanych form życia. Biolog José María Gómez z Laboratory of BioMineralogy and Astrobiological Research przeprowadził w domu prosty eksperyment. Zawiesina bakterii została umieszczona w kropli roztworu soli. Po jej wyschnięciu zaobserwował pod mikroskopem, że w strukturze krystalicznej pojawiły się skomplikowane wzory.  Kolejne eksperymenty odbyły się w jednostce badawczej, w kontrolowanych warunkach i na znacznie lepszym sprzęcie.

 Pałeczka okrężnicy Escherichia coli. AJ Cann Lic. CC SA.

Gdy kropla słonej wody wysycha, obecność E.coli wpływa na tworzenie się i rozwój kryształków chlorku sodu. Na skutek tego powstaje sieć trójwymiarowych struktur, które zawierają w sobie hibernujące bakterie. Powstaje rodzaj biominerału. Od dawna obserwowano, że określone polimery, detergenty żele czy barwniki wpływają na powstawanie specyficznych wzorów podczas krystalizacji. Struktury takie obserwowano w czasie krystalizacji roztworów soli z DNA, białkami oraz płynami fizjologicznymi zwierząt, a wiec cząsteczkami pochodzenia biologicznego. Teraz bezpośrednio wykazano, że takie struktury mogą formować żywe organizmy.  

Obraz mikroskopowy wysuszonego biofilmu E.coli z roztworu NaCl. Wzory: nc - część rdzeniowa, fl - wzory fraktalne, fb - wzory krzaczaste liścia paproci (Gomez 2014)

Jak dochodzi do tworzenia struktur? Gdy woda wysycha, bakterie skupiają się w specyficzne wzory. Ich struktura zależy od miejsca w wyschniętej kropli. Badacze wyróżnili 3 rodzaje wzorów: część rdzeniową z strukturą typową dla kryształu soli, następnie wzory fraktalne i krzaczaste o pokroju liścia paproci. Wskazuje to, że bakterie nie wpływają na pierwszy moment krystalizacji.

Badanie pod mikroskopem skaningowym wykazało dalsze skomplikowanie struktury, tym razem warstwowe. Wzory są tak skomplikowane, że w rejonie wzorów fraktalnych praktycznie nie można odróżnić gdzie jest bakteria, a gdzie NaCl. Mutanty pozbawione rzęsek też formowały takie wzory, więc nie tworzy ich ruch bakterii. Nie jest znany dokładny mechanizm zjawiska BIM (biomineralizacja z udziałem bakterii), choć wcześniejsza literatura wymienia takie potencjalne czynniki jak wpływ bakterii na pH i nasycenie roztworu, wpływ właściwości fizycznych błony powierzchniowej, błony komórkowej czy wreszcie wydzielanie do otoczenia całej gamy związków organicznych. Na organizację nieorganicznych kryształów jaką wpływ białka, lipidy, proteoglikany czy polisacharydy.

Pomimo znacznego wysuszenia, po rozpuszczeniu solnych struktur hibernujące w nich bakterie wróciły do normalnego stanu. Jest to bardzo istotne dla astrobiologów. Ze względu na bogactwo i skomplikowanie utworzonych w czasie krystalizacji struktur, mogą być użyte jak biosygnatury w czasie poszukiwania życia poza Ziemią.

Sól tworzy też swoisty pancerz, który może chronić przed zimnem, kwasami, antybiotykami, promieniowaniem UV. Podobne zjawiska mogą zachodzić także podczas formowania struktur krystalicznych innych związków niż NaCl. Wcześniejsze badania wykazały, że komórki bakteryjne pod cienką warstwą materiału symulującego marsjański regolit znacznie lepiej radziły sobie z promieniowaniem UV.

Woda jest niezbędna do podtrzymania życia, więc wiele organizmów przystosowało się radzenia sobie z jak brakiem. Znaczne zdolności anhydrobiotyczne posiadają niektóre szczepy bakterii, cyjanobakterii, a z wyższych organizmów słynne "niezniszczalne" nieszporczaki. Co ciekawe, nie wiemy jak długo wymienione organizmy mogą przebywać w wysuszonym stanie. Zawartość wody w solnych strukturach będących przedmiotem badania jest nawet niższa, niż standardy dla anhydrobiozy.

Laboratorium LBMARS w którym przeprowadzono eksperymenty bierze udział w budowie Raman RLS, instrumentu badawczego do poszukiwania śladów biologicznych. Zostanie on wysłany jako część łazika ExoMars na Czerwoną Planetę. Mijsja Europejskiej Agencji Kosmicznej startuje w 2018 roku. Dlatego odkrycie pomoże w poszukiwaniu biominerałów, które są bezpośrednim wskaźnikiem obecności życia.  

Najnowsza wizualizacja łazika ExoMars. ESA 2014

Kwestia opisywanych mechanizmów jest szczególnie istotna z ewolucyjnego punktu widzenia. Takie zachowanie z pewnością pomagało przetrwać na niegościnnej Ziemi miliony lat temu i zostało utrwalone.

Jak już wczesniej wspomniano, sama biomineralizacja jest znanym nauce zjawiskiem. Teraz mamy model, na którym można badać to zjawisko. Według autorów odkrycie może też znaleźć zastosowanie jako nowa technika suszenia bakterii.

W sieci badacze udostępnili filmy (w formie pliku), na których można zobaczyć proces formowania się biokryształów:

Movie S3

Opracowanie: Seweryn Frasiński

Źródła:
www.agenciasinc.es

Gómez Gómez José María, Medina Jesús, Hochberg David, Mateo-Martí Eva, Martínez-Frías Jesús, and Rull Fernando. Drying Bacterial Biosaline Patterns Capable of Vital Reanimation upon Rehydration: Novel Hibernating Biomineralogical Life Formations. Astrobiology. July 2014, 14(7): 589-602. doi:10.1089/ast.2014.1162.