Ekstremofiler kan have spor til teknologier, der håndterer klimaændringer

Mikroskopiske organismer kendt som ekstremofiler bebor nogle af de sidste steder på Jorden, du kan forvente at finde liv, fra havbundens ekstreme tryk til frysende iskapper. At forstå, hvordan disse mikrober overlever ved at interagere med forskellige metaller og gasser, åbner op for ny viden om Jordens grundstoffer og deres potentielle anvendelser.

Et sådant ekstremt levested er muddervulkaner - typisk kegleformede strukturer eller pools, der udleder boblende mudder, samt damp og gasser som metan og kuldioxid.

Mere end 1, 000 muddervulkaner, som ofte er forbundet med såkaldte subduktionszoner, hvor en tektonisk plade tvinges ind under en anden, og kan være ekstremt sur, er hidtil fundet på eller nær land.

Nogle forskere har søgt efter at finde ud af mere om de mikrobielle samfund, som disse muddervulkaner indeholder, og deres rolle i cirkulerende gasser og andre elementer, herunder metan, brint, ammoniak og svovl.

I Italien, et projekt kaldet VOLCANO undersøgte mikrober, der lever i meget sure mudderpuljer i krateret i den sovende Solfatara-vulkan nær Napoli og på en vulkanø ud for det nordlige Sicilien kaldet Vulcano, som oprindeligt gav sit navn til ordet 'vulkan' og er berømt for sine mudderbade og varme kilder.

Professor Huub Op den Camp, en mikrobiolog ved Radboud Universitet i Nijmegen, Holland, og hovedefterforsker på VOLCANO, siger, at forskerne 'serendipitously' opdagede et tredje udforskningssted - den vulkanske ø Pantelleria, vest for Sicilien. Dette skete, da de løb ind i andre forskere, der havde fundet molekylære beviser, der tyder på Pantellerias varme, sur jord indeholdt bakterier relateret til dem i mudderbassinerne og involveret i at cirkulere de samme gasser.

Disse levesteder, som en væsentlig kilde til den kraftige drivhusgas metan, giver nu værdifulde ledetråde til klimaændringer, samt have potentielle anvendelsesmuligheder inden for grønne teknologier såsom biobrændstoffer og genanvendelse af metaller i elektroniske enheder.

Sjældne jordarters elementer

En af de vigtigste inspirationer til VOLCANO var knyttet til såkaldte sjældne jordarters elementer (REEs), en gruppe af 17 kemisk lignende metalliske grundstoffer, der faktisk er rigelige i jordskorpen på trods af deres navn.

tidligere, Prof. Op den Camps team havde opdaget, at REE'er var en væsentlig del af stofskiftet i Methylacidiphilum fumariolicum SolV, en syre-elskende mikrobe fundet i en Solfatara muddervulkan, der kan leve ved ekstreme pH-niveauer under 1 og får sin energi fra forbruget – eller oxidationen – af metan.

Det var første gang REE'er blev identificeret som en betingelse for liv i en organisme, efter tidligere at have været tænkt ikke at være involveret i biologiske processer. Cerium, den mest udbredte af 15 REE'er kendt som lanthanider, syntes at være fremmest til at stimulere vækst blandt flere af de testede forskere.

"Det var et metal fuldstændig ukendt at være aktiv i livet. Vi fandt ud af, at der er et enzym (en biologisk katalysator) i disse bakterier, som indeholder dette metal som en co-faktor, og uden dette lanthanid kan organismen ikke fungere, " sagde Prof. Op den Camp. Han siger, at deres opdagelse om REE'er har ført til et 'boomende forskningsfelt' om sådanne processer hos ekstremofiler.

Det er også blevet tydeligt, at brugen af ​​REE blandt bakterier generelt er meget mere almindelig end tidligere antaget, herunder i ikke-mudder-vulkan-habitater. Prof. Op den Camps hold fandt, for eksempel, at to nye metanoxiderende organismer fra Nordsøsedimenter indeholdt enzymer afhængige af lanthanider, mens en gennemgang, de udførte, fremhævede væksten i forskning, der bruger REE'er til at dyrke mikrober, der tidligere blev betragtet som udyrkelige.

Udover at finde ud af, hvordan man dyrker sådanne mikrober i laboratoriet, resultaterne hjælper med at opdage nye. "Nu, flere og flere mennesker isolerer bakterier, der er strengt afhængige af lanthanider, " sagde prof. Op den Camp.

Ansøgninger

Alt dette har potentielt mange anvendelser. Hvis vi kan lære at isolere store mængder af disse elementer fra bakterier, vi kunne bruge denne viden til at udvinde og genbruge metaller fra mobiltelefoner og andre elektroniske enheder, som indeholder REE'er såsom cerium, lanthan og neodym. Dette kan være nyttigt på lang sigt, fordi disse elementer er vanskelige at udvinde og udvinde økonomisk, samt at være endelig.

At være i stand til at manipulere lanthanider kan også hjælpe med produktionen af ​​miljøvenlig biogas, såsom grøn methanol. Under dyrkning af M. fumariolicum, forskerne var i stand til at producere methanol ud fra metan ved at begrænse lanthanider som et input, der ellers ville hjælpe med at omdanne methanol til formaldehyd.

I mellemtiden, holdet fandt ud af, at den samme bakterie kan opfange de små spormængder af brintgas fra atmosfæren - hvor den er til stede ved kun 0,5 ppm gasmolekyler - for at bruge som energikilde ud over metan. Prof. Op den Camp siger, at den ekstra energi opnået fra brint kan hjælpe bakterierne med at oxidere mere metan.

"Måske hjælper begge metabolisme (af brint og metan) hinanden også med at fange meget lave koncentrationer af disse gasser, " han sagde, rejser spørgsmål om, hvor langt de kan gå med at fjerne sporgasser fra atmosfæren.

Det styrker også bevis for, at mikrobiel metabolisme af molekylært brint er meget mere almindelig end oprindeligt antaget, giver flere ledetråde til brintkredsløbet på Jorden. Desuden, med brint, der udforskes som et vigtigt grønt brændstof i fremtiden, Prof. Op den Camp siger, at dette i sidste ende kan hjælpe med at skabe en 'brintøkonomi', hvis gassen kan isoleres fra mikroberne ved at vende aktiviteten af ​​hydrogenase, bakteriens brintspisende enzym.

Hans hold beregnede også spekulativt, om bakterierne kunne bruges i filtre til at reducere metan fra køer - store udsender af gassen. Imidlertid, de fandt ud af det med den nuværende teknologi, filterets størrelse skal være for stor til at være gennemførlig.

Og prof. Op den Camp understreger også, at mange applikationer til mudder-vulkan-ekstremofiler kan være langt væk, med udfordringer med at opskalere en sådan aktivitet. "Du kan tænke på applikationer, men det er stadig lidt langt væk, " sagde han. "Det vil også koste mange penge at tage i stor skala."

Men selvom mange applikationer kan tage et stykke tid, Prof. Op den Camp siger, at forskningen alt sammen bidrager til gradvist at forbedre forståelsen af ​​grundlæggende gaskredsløb på Jorden, som hjælper vores viden om klimaet. "Denne form for information er vigtig for fremtidig forståelse af kredsløbet af elementer, der påvirker klimaet, " han sagde.

Sådanne ekstreme levesteder er også nyttige at studere, fordi deres relativt lave biodiversitet gør dem mindre komplekse end andre økosystemer, forklarer prof. Op den Camp - selvom selv dette kan være mindre simpelt end oprindeligt antaget. "De bringer stadig store overraskelser, sagde han. I Pantelleria-jorden, vi fandt også metanproducerende bakterier, hvilket vi slet ikke havde forventet."

Barske forhold

Dr. Anna Krüger, konsulent i genteknologi i Miljøstyrelsen, Klima, Energi og landbrug i Hamborg, Tyskland, har forsket i ekstremofiler blandt andet i Vulcano. Hun siger, at hendes tidligere team ved Hamburg University of Technology var 'overrasket' over, hvor mange forskellige grupper af arter, de kunne opdage ved at sekventere DNA fra steder som varme kilder og muddervulkaner.

Hun siger, at enzymerne, eller 'ekstremozymer, " fundet i sådanne mikrober er lovende på grund af deres evne til at modstå de typer af barske forhold, der ofte findes i industrielle processer, og har potentialet til at hjælpe med at udvikle biokatalysatorer til brug i hverdagen, såsom i vaskemidler.

"Bioteknologi er et nøgleaspekt i retning af at ændre vores økonomi fra ressourceforbrugende oliebaseret til et bæredygtigt biobaseret samfund, "tilføjede hun.

Ved mere om, for eksempel, mikrober, der kan lide ekstrem varme, ville udvide mulighederne, siger læge Krüger. "Jeg tror, ​​det vil være et vigtigt skridt at analysere samfundsdynamikken og forstå komplette metaboliske interaktioner, " sagde hun. "Dette ville så muliggøre design af skræddersyede ekstreme arter til produktion af alle slags kemikalier, læger, antibiotika og bioplast ved forhøjede temperaturer."

Hun pegede også på et varmebestandigt enzym, der oprindeligt var isoleret fra bakterier i de varme kilder i Yellowstone National Park, som har været nøglen under COVID-19-pandemien. "Mest fremtrædende er stadig Taq polymerase, som muliggjorde polymerasekædereaktionen (PCR), guldstandarden for vores nuværende SARS-CoV-2-test, " hun sagde.

Professor Alexandre Soares Rosado, en miljømikrobiolog ved King Abdullah University of Science and Technology i Thuwal, Saudi Arabien, ser også organismer, der har været nødt til at tilpasse sig for at trives på steder, hvor livet er blevet presset til dets grænser, som lovende for anvendelser inden for bioteknologi og bæredygtig udvikling.

Han betragter ekstremofiler som potentielt at levere mere bæredygtige applikationer i sektorer med en forventet stigning i efterspørgsel efter enzymer, såsom mad og drikke, biobrændstoffer og dyrefoder.

"Først for nylig begyndte vi at forstå og have bedre værktøjer til at optrevle mangfoldigheden af ​​ekstremofiler verden over, " sagde prof. Rosado, der undersøger barske levesteder i Saudi-Arabien såsom aktive og inaktive vulkaner, ørkener og geotermiske steder. "Som en konsekvens, der er et enormt potentiale for bioteknologiske anvendelser i den virkelige verden."

Mudder vulkaner

I mellemtiden, muddervulkaner i sig selv kan hjælpe os med at forstå unikke økosystemer, der er tæt forbundet med rørføring af gasser, fluids and sediments from fracture networks that often extend several kilometers down, says Dr. Pei-Ling Wang, a geochemist at the National Taiwan University in Taipei.

They can also bring fundamental knowledge about the climate cycle, she adds. "Microbial power in the bubbling mud pools or cone structures and surrounding mud platforms is critical to regulating the flux of greenhouse gases, " said Dr. Wang.

"Methanotrophs (microbes that metabolize methane) living in terrestrial mud volcanoes are critical players for methane consumption. Understanding their physiology, capabilities and distribution can establish a model for their role in greenhouse gas regulation."