Napisane w kamieniu

W swoim biurze w budynku 68 Dianne Newman trzyma wypolerowany, kulisty kamień w paski z żelaznymi paskami. Znajdujące się na każdym kontynencie takie skały są najczęstszym źródłem rudy żelaza. Dla Newmana okazy takie jak ten liczący 2,4 miliarda lat dają wgląd, który może pomóc w rozwikłaniu bardzo zawiłej części historii Ziemi. Kiedy pradawne mikroby zaczęły wytwarzać tlen, którym oddychamy i jakiego rodzaju były?

Newman nie planowała poświęcić swojej kariery na badanie takich pytań. Przyjechała do MIT w 1993 roku, aby uzyskać tytuł magistra inżyniera, myśląc, że będzie pracować w tej dziedzinie przez kilka lat, zanim pójdzie do szkoły prawniczej, aby zostać rzecznikiem patentowym. Ale zajęcia z mikrobiologii środowiskowej zafascynowały ją różnorodnością metabolizmu bakterii – reakcjami chemicznymi, które wykonują, aby żyć. Dowiedziałam się, że bakterie mogą zjadać toksyczne związki i przekształcać je w łagodne – wspomina. Projekt, który skłonił bakterie do przekształcenia arsenu w materiał półprzewodnikowy, zainteresował ją tym, w jaki sposób bakterie mogły ukształtować chemiczny skład Ziemi, i przeniosła się na wydział nauk o Ziemi, gdzie uzyskała tytuł doktora. Po siedmiu latach w Caltech dołączyła do wydziału MIT w 2007 roku jako profesor biologii i geobiologii.

Ta historia była częścią naszego wydania z listopada 2008 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Mikroby to najlepsi chemicy na świecie, zachwyca się Newman. Właściwie wystarczająco dobry, by zmienić swoje otoczenie. Kiedy nasz Układ Słoneczny powstał 4,5 miliarda lat temu, ziemska atmosfera była prawie pozbawiona tlenu. Pierwsze jednokomórkowe formy życia, które powstały około 3,8 miliarda lat temu, prawdopodobnie żyły w morzach i miały metabolizm, który nie wymagał tlenu ani nie wytwarzał go jako produktu ubocznego. Niektórzy z nich utrzymywali się z żelaza; ich procesy metaboliczne zmieniły stan chemiczny żelaza i utworzyły osady w skale Newmana. Inni prawdopodobnie żywili się siarką.

I wtedy wydarzyło się coś, co umożliwiło nam życie zwierząt i roślin, jakie znamy. Niektóre bakterie zaczęły wykorzystywać światło słoneczne do rozszczepiania wody na wodór, którego używały do ​​produkcji paliwa, oraz tlen, który uwalniały jako odpady. Dzięki fotosyntezie tlenowej atmosfera i najpłytsza woda oceaniczna miały znaczny poziom tlenu około 2,4 miliarda lat temu; około 540 milionów lat temu poziomy tlenu były porównywalne do tych obserwowanych dzisiaj.

Pytanie, który organizm jako pierwszy zaczął produkować tlen i kiedy, jest jedną z największych tajemnic w historii Ziemi. To naprawdę trudny problem, ale naprawdę uwodzicielski, mówi Newman.

Aby odpowiedzieć na to pytanie, Newman i inni w MIT i na całym świecie skupiają się na skałach takich jak ten w jej biurze. Podobnie jak kości dinozaurów, szczątki bakterii żyjących w starożytnych morzach były wbudowywane w skały przez miliony (w przypadku bakterii miliardy) lat. Naukowcy wiedzą, że pewne związki powstają wyłącznie w wyniku procesów zachodzących w żywych organizmach, więc gdy widzą takie związki w skale, oznacza to, że w skale są ślady dawnego życia. Geobiolodzy interpretują te skamieliny bakteryjne, porównując zawarte w nich związki chemiczne z tymi wytworzonymi przez współczesne bakterie, które wciąż opierają się na dawnych procesach metabolicznych. Dzięki takiej analizie mają nadzieję ustalić, które drobnoustroje wytworzyły związki chemiczne pozostawione w skałach. Trzeba przyjrzeć się funkcji tych chemikaliów w wielu żywych organizmach, mówi Newman. Taka logika łączy nas z przeszłością.

Jednym z najważniejszych śladów chemicznych pozostawionych przez pradawne bakterie jest grupa związków zwanych 2-metylo-BHP. W 1999 roku Roger Summons, profesor geobiologii z MIT, wraz z kolegami znaleźli te związki w 2,5-miliardowych skałach basenu Hamersley Basin w zachodniej Australii. Te skały z kopalni żelaza są podobne do wypolerowanego w gabinecie Newmana. Obecnie głównymi producentami tych BHP są fotosyntezatory wytwarzające tlen, zwane sinicami. Z tego powodu i wielu innych, w tym pewnych cech charakterystycznych stanowiska Hamersley, Summons i inni zinterpretowali znalezisko jako dowód na to, że cyjanobakterie przeprowadzały nowoczesną fotosyntezę 2,5 miliarda lat temu. Logika była taka, że ​​te związki są wytwarzane przez cyjanobakterie; cyjanobakterie dokonują fotosyntezy tlenowej; dlatego w tym czasie zachodziła fotosynteza tlenowa, mówi Newman.

Newman uważa, że ​​jej własne badania podają w wątpliwość ten wniosek. Bada inny szczep bakterii produkujących BHP: tak zwane bakterie fioletowe, które nie mogą wykorzystywać wody do produkcji tlenu. Zamiast tego utleniają żelazo, wodór lub różne związki organiczne. „Próbujemy dowiedzieć się, jaką funkcję pełnią [BHPs] w komórkach, które je dzisiaj tworzą”, mówi. Nasze wstępne ustalenia wskazują, że BHP nie mają bezpośredniego związku z fotosyntezą. Summons, która współpracuje z Newmanem przy niektórych swoich badaniach, nie traktuje osobiście jej sceptycyzmu; jest przekonany, że jej praca doprowadzi do ważnego wglądu w te związki, a zwłaszcza, dlaczego i jak bakterie je wytwarzają. Wskazuje jednak również, że jej odkrycia nie obalają teorii, że ślady chemiczne pozostawione przez cyjanobakterie są zachowane w Hamersley.

Tymczasem praca Newmana ze związkami bakteryjnymi znanymi jako fenazyny rzuca światło na problem bardziej bezpośredni niż zagadka tego, jak powstało nasze bogate w tlen powietrze. Zmieniając sposób, w jaki naukowcy rozumieją te cząsteczki organiczne, jej badania mogą doprowadzić do opracowania nowych metod leczenia przewlekłych infekcji bakteryjnych.

Fenazyny od dawna klasyfikowane są jako metabolity wtórne, produkty uboczne procesów, w których powstają bardziej krytyczne związki metaboliczne. Od dawna wiadomo, że działają jak antybiotyki. Ale Newman wykazał, że fenazyny mają również głęboki wpływ na przeżycie i rozwój drobnoustrojów.

Newman wpadł na pomysł tych badań, badając bakterie, które, choć brzmi to dziwnie, wykorzystują do oddychania skały zawierające żelazo. Ludzie używają tlenu do spalania węgla, powiedzmy, kanapki z tuńczykiem, tworząc energię; rolą tlenu jest przyjmowanie elektronów z węgla. Żelazo odgrywa podobną rolę dla bakterii oddychających skałami, które czerpią energię, gdy przenoszą elektrony w związkach zawierających węgiel, takich jak glukoza, do żelaza w skałach. Nie oddycha w ludzkim sensie – samo żelazo nie dostaje się do komórek, tak jak tlen do naszych płuc. Zamiast tego bakterie oddychające skałami przekazują prąd elektryczny do żelaza za pomocą cząsteczek, które działają jak wahadłowce elektronów. Cząsteczki te przenoszą elektrony z jednej komórki bakteryjnej do drugiej i ostatecznie na powierzchnię żelaznej skały, jak ręce publiczności przenoszącej surfującą w tłumie gwiazdę rocka. Newman i jej koledzy stawiają hipotezę, że fenazyny mogą działać jako transportery elektronów w innych bakteriach.

Jeśli mają rację, ich wgląd może mieć szersze implikacje, ponieważ dotyczy tego, co Newman nazywa ogólnym problemem, z którym borykają się bakterie rosnące na dowolnej powierzchni. Niewiele bakterii żyje samodzielnie. Bez względu na to, gdzie i jak czerpią energię – czy delektują się cukrami w szczelinach zębów, czy siorbią siarkę z podmorskich otworów wentylacyjnych – większość bakterii żyje w gęstych, przylegających społecznościach zwanych biofilmami. Wewnątrz biofilmu niektóre z nich będą bliżej niż inne substancji chemicznych potrzebnych do prowadzenia reakcji wytwarzających energię. Kiedy Newman pomyślała o sposobie, w jaki bakterie oddychające żelazem wykorzystują wahadłowce elektronowe do transportu swoich elektronów z głębi biofilmu na powierzchnię skały, zdała sobie sprawę, że bakterie rozwijające się w biofilmach w naszych ciałach mogą robić coś podobnego.

Newman postanowił zbadać znaczenie fenazyn wytwarzanych przez ludzki patogen Pseudomonas aeruginosa, który powoduje poważne przewlekłe infekcje u osób z mukowiscydozą lub z osłabionym układem odpornościowym. Żyjąc w płucach, bakterie te napotkałyby ten sam problem, co skała oddychająca światami: te znajdujące się w środku biofilmu byłyby izolowane od ważnego substratu energetycznego, w tym przypadku tlenu.

Aby sprawdzić, czy te bakterie mogą wykorzystać fenazyny do przezwyciężenia wyzwań związanych ze wspólnym życiem, naukowcy z laboratorium Newmana opracowali dwa ich zmutowane szczepy. Jeden szczep nie mógł wytwarzać fenazyn, podczas gdy drugi wytwarzał je w dużych ilościach. Kiedy Newman i jej współpracownicy hodowali bakterie na szalkach Petriego, zauważyli różnice w architekturze swoich społeczności. Nadprodukujący szczep urósł w ciasną, gładką warstwę, rozłożoną jak Los Angeles. Szczep wolny od fenazyny również rozprzestrzenił się na dużym obszarze, ale rósł w wysokich wieżach, zbudowanych jak Nowy Jork – przypuszczalnie w celu maksymalizacji ekspozycji każdej komórki na tlen z powietrza.

Wyniki te są obiecujące; teraz Newman musi przeprowadzić testy, aby zobaczyć, jak te dwa zmutowane szczepy rosną w płucach. Jeśli Pseudomonas potrzebuje fenazyny do przeżycia, naukowcy mogliby teoretycznie opracować terapie, które uniemożliwią bakteriom ich syntezę lub wykorzystanie; które mogą pomóc zwalczyć przewlekłe infekcje.

Jak mówi Newman, dostęp do tlenu w dzisiejszych czasach jest takim samym problemem, jak dostęp do minerału w przeszłości. To właśnie takie powiązania sprawiają, że geobiologia jest bogatym i zaskakującym źródłem wiedzy, nie tylko o historii planety, ale o naszej teraźniejszości.

ukryć