Psáno do kamene

Ve své kanceláři v budově 68 má Dianne Newmanová leštěný kulovitý kámen s pruhy železa. Tyto horniny se vyskytují na všech kontinentech a jsou nejběžnějším zdrojem železné rudy. A Newmanovi exempláře jako tento 2,4 miliardy let starý příklad přinášejí poznatky, které by mohly pomoci rozluštit velmi spletitou část historie Země. Kdy začali starověcí mikrobi produkovat kyslík, který dýcháme, a jaký druh mikrobů to byl?

Newmanová neplánovala strávit svou kariéru zkoumáním takových otázek. V roce 1993 přišla na MIT, aby získala magisterský titul v oboru inženýrství, protože si myslela, že bude v oboru několik let pracovat, než půjde na právnickou fakultu, aby se stala patentovou zástupkyní. Ale třída environmentální mikrobiologie ji nechala fascinovat rozmanitostí metabolismu bakterií – chemickými reakcemi, které provádějí, aby mohly žít. Dozvěděla jsem se, že bakterie mohou jíst toxické sloučeniny a přeměňovat je na benigní, vzpomíná. Projekt, který přiměl bakterie k přeměně arsenu na polovodičový materiál, ji přivedl k zájmu o to, jak bakterie mohly utvářet chemické složení Země, a přestěhovala se do oddělení geověd, kde získala doktorát. Po sedmi letech na Caltechu nastoupila v roce 2007 na fakultu MIT jako profesorka biologie a geobiologie.

Tento příběh byl součástí našeho vydání z listopadu 2008

• Viz zbytek čísla
• předplatit

Mikrobi jsou nejlepší chemici na planetě, diví se Newman. Ve skutečnosti dost dobrý na to, aby přetvořil své prostředí. Když se naše sluneční soustava zformovala před 4,5 miliardami let, zemská atmosféra byla téměř bez kyslíku. První jednobuněčné formy života, které vznikly asi před 3,8 miliardami let, pravděpodobně žily v mořích a měly metabolismus, který nevyžadoval kyslík, ani jej nevytvářel jako vedlejší produkt. Někteří z nich se živili železem; jejich metabolické procesy změnily chemický stav železa a vytvořily usazeniny v Newmanově hornině. Jiní se pravděpodobně živili sírou.

A pak se stalo něco, co umožnilo život zvířat a rostlin, jak je známe. Některé bakterie začaly využívat sluneční světlo k štěpení vody na vodík, který využívaly k výrobě paliva, a kyslík, který uvolňovaly jako odpad. Díky kyslíkové fotosyntéze měly atmosféra a nejmělčí oceánská voda před asi 2,4 miliardami let významné hladiny kyslíku; asi před 540 miliony let byly hladiny kyslíku srovnatelné s těmi, které vidíme dnes.

Otázka, který organismus jako první začal produkovat kyslík a kdy, je jednou z největších záhad v historii Země. Je to opravdu těžký problém, ale opravdu svůdný, říká Newman.

Aby na to odpověděla, Newman a další na MIT a po celém světě se zaměřují na kameny, jako je ten v její kanceláři. Stejně jako kosti dinosaurů byly pozůstatky bakterií žijících ve starověkých mořích zabudovány do horniny po miliony (v případě bakterií miliardy) let. Vědci vědí, že určité sloučeniny vznikají pouze prostřednictvím procesů prováděných v živých organismech, takže když takové sloučeniny vidí v hornině, znamená to, že hornina odráží stopy starověkého života. Geobiologové interpretují tyto bakteriální fosílie porovnáním chemických sloučenin v nich se sloučeninami vytvořenými moderními bakteriemi, které se stále spoléhají na starověké metabolické procesy. Prostřednictvím takové analýzy doufají, že odhalí, které mikroby vytvořily chemické sloučeniny zanechané v horninách. Musíte se podívat na funkci těchto chemikálií v mnoha živých organismech, říká Newman. Tento druh logiky nás spojuje s minulostí.

Jednou z nejdůležitějších chemických stop zanechaných starověkými bakteriemi je skupina sloučenin nazývaných 2-methyl-BHP. V roce 1999 Roger Summons, profesor geobiologie z MIT, a jeho kolegové našli tyto sloučeniny ve 2,5 miliardy let starých horninách z Hamersley Basin v západní Austrálii. Tyto kameny z železného dolu jsou podobné těm leštěným v Newmanově kanceláři. Dnes jsou primárními producenty těchto BHP fotosyntetizátory produkující kyslík nazývané cyanobakterie. Z tohoto důvodu a mnoha dalších, včetně určitých charakteristik lokality Hamersley, Summons a další interpretovali nález jako důkaz, že sinice prováděly moderní fotosyntézu před 2,5 miliardami let. Logika byla taková, že tyto sloučeniny jsou tvořeny sinicemi; sinice provádějí kyslíkovou fotosyntézu; proto v té době probíhala kyslíková fotosyntéza, říká Newman.

Newman si myslí, že její vlastní výzkum tento závěr zpochybňuje. Studovala další kmen bakterií, které produkují BHP: takzvané fialové bakterie, které nemohou využívat vodu k produkci kyslíku. Místo toho oxidují železo, vodík nebo různé organické sloučeniny. Snažíme se zjistit funkci [BHP] v buňkách, které je dnes tvoří, říká. Naše předběžná zjištění naznačují, že BHP nemají přímou souvislost s fotosyntézou. Summonsová, která s Newmanovou spolupracuje na některých jejích výzkumech, nebere její skepticismus osobně; je přesvědčen, že její práce povede k důležitým poznatkům o těchto sloučeninách a zejména o tom, proč a jak je bakterie vytvářejí. Poukazuje však také na to, že její nálezy nevyvracejí teorii, že chemické stopy zanechané sinicemi jsou zachovány v Hamersley.

Mezitím Newmanova práce s bakteriálními sloučeninami známými jako fenaziny osvětluje problém bezprostřednější než záhadu toho, jak vznikl náš vzduch bohatý na kyslík. Změnou způsobu, jakým vědci chápou tyto organické molekuly, by její výzkum mohl vést k nové léčbě chronických bakteriálních infekcí.

Fenaziny byly dlouho klasifikovány jako sekundární metabolity, vedlejší produkty procesů, které produkují kritické metabolické sloučeniny. Dlouho je také známo, že působí jako antibiotika. Ale Newman prokázal, že fenaziny mají také hluboké účinky na mikrobiální přežití a vývoj.

Newman dostal nápad na tento výzkum při studiu bakterií, které, jakkoli to zní divně, používají k dýchání kameny obsahující železo. Lidé používají kyslík ke spalování uhlíku v, řekněme, tuňákovém sendviči, čímž vytvářejí energii; úlohou kyslíku je přijímat elektrony z uhlíku. Železo hraje podobnou roli pro bakterie dýchající horniny, které získávají energii, když přenášejí elektrony ve sloučeninách obsahujících uhlík, jako je glukóza, na železo v horninách. Není to dýchání v lidském smyslu – samotné železo nevstupuje do buněk, jako kyslík vstupuje do našich plic. Bakterie dýchající horniny předávají elektrický proud železu pomocí molekul, které fungují jako elektronové raketoplány. Tyto molekuly přenášejí elektrony z jedné bakteriální buňky do druhé a nakonec na povrch železné horniny, jako ruce publika přepravující rockovou hvězdu surfující davem. Newman a její kolegové předpokládají, že fenaziny mohou působit jako elektronové raketoplány v jiných bakteriích.

Pokud mají pravdu, jejich pohled by mohl mít širší důsledky, protože řeší to, co Newman nazývá obecným problémem, kterému bakterie čelí rostoucí na jakémkoli povrchu. Jen málo bakterií žije samo. Bez ohledu na to, kde a jak získávají energii – ať už si vychutnávají cukry ve štěrbinách vašich zubů nebo srkají síru z podmořských průduchů – většina bakterií žije v hustých, přilnavých komunitách zvaných biofilmy. Uvnitř biofilmu budou některé z nich blíže než jiné chemikáliím, které potřebují k provádění reakcí produkujících energii. Když Newman přemýšlela o tom, jak bakterie dýchající železo využívají elektronové raketoplány k transportu svých elektronů z hlubin biofilmu na povrch horniny, uvědomila si, že bakterie rostoucí v biofilmech v našem těle by mohly dělat něco podobného.

Newman se rozhodl otestovat důležitost fenazinů produkovaných lidským patogenem Pseudomonas aeruginosa, který způsobuje vážné chronické infekce u lidí s cystickou fibrózou nebo s narušeným imunitním systémem. Tyto bakterie, žijící v plicích, by se dostaly do stejného problému jako světy, které dýchají skály: ty, které jsou uprostřed biofilmu, by byly izolovány od důležitého energetického substrátu, v tomto případě kyslíku.

Aby otestovali, zda tyto bakterie mohou používat fenaziny k překonání problémů společného života, výzkumníci v Newmanově laboratoři zkonstruovali dva jejich mutantní kmeny. Jeden kmen nedokázal vyrobit fenaziny, zatímco druhý je vyrobil ve velkém množství. Když Newman a její spolupracovníci pěstovali bakterie v Petriho miskách, viděli rozdíly v architektuře svých komunit. Nadměrná produkce rostla v těsné, hladké vrstvě, rozprostřená jako Los Angeles. Kmen bez fenazinu se také rozšířil na velkou plochu, ale rostl ve vysokých věžích, vybudovaných jako New York City - pravděpodobně proto, aby byla každá buňka vystavena co největší kyslíku ve vzduchu.

Tyto výsledky jsou slibné; nyní musí Newman provést testy, aby zjistil, jak dva mutantní kmeny rostou v plicích. Pokud Pseudomonas potřebuje k přežití fenaziny, vědci by teoreticky mohli vyvinout terapie, které zabrání bakteriím v jejich syntéze nebo využití; které by mohly pomoci vymýtit chronické infekce.

Přístup ke kyslíku je dnes stejně velký problém, jako byl přístup k minerálu v minulosti, říká Newman. Právě taková spojení dělají z geobiologie bohatou a překvapivou žílu znalostí nejen o historii planety, ale i o naší současnosti.

skrýt