Kunnen microben ons in de toekomst helpen om de mysteries van buitenaards leven te ontrafelen? Onderzoekers testen een slimme nieuwe methode die beweeglijke microben kan detecteren – een mogelijke doorbraak in de zoektocht naar leven op Mars en Jupiters maan ‘Europa’.
Microben zijn piepkleine organismen die overal in de biosfeer van onze planeet - het deel van de aarde waar de aardse organismen leven - te vinden zijn. Veel van die microben kunnen overleven onder zeer zware omstandigheden waar grotere, complexere levensvormen het laten afweten. Juist die opmerkelijke veerkracht is de reden waarom astrobiologen ze zo graag bestuderen. Als microben bijvoorbeeld kunnen groeien in een meer dat diep onder de zuidelijke ijskap van de aarde ligt, dan zouden soortgelijke organismen misschien ook kunnen bestaan in vergelijkbare buitenaardse omgevingen. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk dat er ook leven is in de mysterieuze, met ijs beklede oceaan van Jupitermaan Europa, of in de waterrijke ondergrond van Mars.
Maar de uitdaging is ligt niet in het suggereren dat er daar buitenaards leven zou kunnen bestaan, maar om het daadwerkelijk te bewijzen. Het leven moet er dus echt ontdekt worden. De meeste experimenten om interplanetair leven op te sporen richtten zich op het zoeken naar chemische sporen die ‘biosignaturen’ heten. Buitenaardse microben zouden die in hun omgeving mogelijk kunnen creëren als bijproduct van hun stofwisseling. Maar nu lijkt er een nieuwe benadering binnen handbereik: een methode gebaseerd op de zelfstandige beweging — ook wel ‘motiliteit’ — van microben.
In het verleden was het enorm duur en tijdrovend om te testen op microbiële motiliteit. Dat was dus ongeschikt voor ruimtevaartmissies met robots. Dit inspireerde een team Duitse astrobiologen om een eenvoudigere en goedkopere manier te bedenken om motiliteit te controleren. Die aanpak beschreven ze in een artikel dat gepubliceerd werd in Frontiers in Astronomy and Space Sciences.
De onderzoekers richtten zich in hun studie op drie soorten microben: Bacillus subtilis, Pseudoalteromonas haloplanktis en Haloferax volcanii. Ze behoren alle drie tot de ‘extremofielen’, organismen die kunnen overleven bij extreme temperaturen, onder druk of chemische omstandigheden. Hun experiment was eenvoudig: konden ze de microben op een detecteerbare en herhaalbare manier naar een voedingsbron laten zwemmen? Om dit te testen, plaatsten ze waterdruppels vol microben in één deel van een voorwerpglaasje met twee compartimenten. In het andere compartiment (dat was afgesloten van het eerste) lag een waterige oplossing rijk aan L-serine, een aminozuur dat essentieel is voor de eiwitsynthese en celdeling.
Toen de onderzoekers elk type microbe in afzonderlijke experimenten van drie uur testten, zagen ze dat alle drie de soorten beweeglijk werden en begonnen te migreren. De microben zwommen uit hun oorspronkelijke compartiment en vormden ophopingen in het compartiment met de L-serine. Dit fenomeen, waarbij organismen zich richting bepaalde chemicaliën (of ervandaan) bewegen, wordt ‘chemotaxis’ genoemd.
‘Het is alsof je een microscopische dierentuin uitbaat’
In het geval van de organismen die voor dit onderzoek zijn gebruikt, draait chemotaxis om ‘microben die moleculen kunnen waarnemen (en er zich naartoe kunnen bewegen) die nuttig kunnen zijn voor hen, en in het bijzonder voor hun stofwisseling’, vertelt Max Riekeles, hoofdauteur van het onderzoek en doctoraatstudent aan de Technische Universität Berlin. ‘Met onze specifieke opstelling wilden we de visuele aspecten van het bestuderen van chemotaxis en het computerwerk ervan vereenvoudigen.’
Het probleem met eerdere methoden die chemotaxis gebruiken om microbiële mobiliteit op te wekken en te volgen, is dat ‘het moeilijk is om chemische gradiënten op te stellen die betrouwbaar, stabiel en voorspelbaar zijn’, zegt Christian Lindensmith, astrobioloog aan NASA’s Jet Propulsion Laboratory. ‘Het observeren van motiliteit is ook een uitdaging, omdat microscopen maar een klein gezichtsveld hebben’ en microben dus ook om andere, geheel externe redenen kunnen bewegen. ‘Het is nogal lastig — alsof je een microscopische dierentuin uitbaat.’
Een membraan uit gel dat de twee compartimenten van het nieuwe experiment van elkaar scheidde, bleek cruciaal voor het minimaliseren van dergelijke moeilijkheden, omdat het de bewegingsmogelijkheden van de microben aanzienlijk verminderde. Die halfdoorlatende gel fungeerde als een eenrichtingsbarrière die organismen van de ene kant relatief snel doorliet, terwijl het ook het doorsijpelen van L-serine naar de andere kant vertraagde. Hierdoor bleven de microben gemotiveerd om te bewegen. Volgens Jay Nadeau, astrobioloog en professor in de natuurkunde aan Portland State University, was die opstelling ‘een goede keuze’ omdat het de beweeglijkheid van de microben veel gemakkelijker te detecteren maakte. Dat gold des te meer doordat de barrière de microben vasthield aan de kant van de L-serine wanneer ze eenmaal binnen waren.
Dergelijke technische vorderingen kunnen enorm nuttig zijn voor toekomstige ruimtemissies die op zoek gaan naar buitenaards leven, zeggen Nadeau en Lindensmith. Beiden waren voorheen collega’s van Riekele, maar waren niet betrokken in het nieuwe onderzoek. ‘Een van de grote uitdagingen bij dit soort onderzoeken op een andere wereld — vooral als ze erg koud is, zoals Europa — is: wat als die buitenaardse organismen heel erg langzaam zwemmen?’ legt Nadeau uit. ‘In dat geval moet je ze misschien een week of langer achterlaten en dan terugkomen.’
Met de nieuwe methode hoeven wetenschappers alleen maar te controleren of er microben in het compartiment met voedingsstoffen aanwezig zijn, in plaats van het systeem voortdurend te monitoren op opvallend rondspringende microben. ‘Dat deel is dus eenvoudig’, zegt Lindensmith. ‘Het moeilijkste is om te bepalen wat je aan de andere kant als lokaas kan leggen.’ Het leven op aarde mag dan wel dol zijn op L-serine en andere fundamentele voedingsmiddelen, maar het is niet gegarandeerd dat die stoffen ook aantrekkelijk zijn voor buitenaardse organismen die een andere biochemie hebben.
Maar zelfs als we ervan uitgaan dat de voedingsstoffen die nodig zijn om te overleven hetzelfde zijn in het hele heelal, blijven er nog andere hindernissen over voordat deze methode gebruikt kan worden in een meetinstrument voor een echte interplanetaire astrobiologiemissie. Volgens Riekele ligt de volgende uitdaging niet alleen in de noodzaak om de techniek verder te verfijnen met nieuwe, uitgebreide experimenten, maar ook in het ontwikkelen en testen met verschillende soorten microben en aminozuren.
‘Een van de doelen van de astrobiologie is de zoektocht naar andere planeten en micro-organismen. Maar in de tussentijd kunnen we nog zo veel op aarde doen, dat ons belangrijke nieuwe inzichten kan opleveren’, zegt Nadeau. De nieuwe methode voor het sorteren van micro-organismen is dan ook een uitstekend voorbeeld van eenvoudig, maar cruciaal werk waarop toekomstig onderzoek kan voortbouwen.
‘Je weet echt niet wat er zich allemaal in de ruimte afspeelt’, zegt Lindensmith. Daarom is het van belang om je instrumenten en technieken te diversifiëren om het leven hier op onze eigen planeet te onderzoeken. ‘We moeten in staat zijn om al dat soort onderzoeken op aarde te doen, voordat we ze op een zinvolle manier op een andere planeet kunnen uitvoeren.’
