De onzichtbare wereld
Microben hebben een groot aanpassingsvermogen. Neem extremofielen. Extremo- omdat ze in extreme omstandigheden leven en -fiel van het Griekse philos wat ‘liefhebber van’ betekent. Het zijn mogelijk de oudste organismen op aarde. Met hun ongelofelijke overlevingsvermogen verleggen ze grenzen van leven. Niet alleen in onze zoektocht naar buitenaards leven, maar ook op het gebied van biotechnologische oplossingen voor een duurzamere toekomst.
Onze planeet is zo’n 4,5 miljard jaar oud. Het leven ontstond ongeveer 3,6 miljard jaar geleden. Gedurende de eerste 2 miljard jaar was leven uitsluitend eencellig, en vaak extremofiel. De huidige omstandigheden op aarde, die voor ons leefbaar en ‘normaal’ zijn, waren vroeger heel anders. De jonge aarde was een stuk extremer. Wij zouden hier nooit overleven, maar extremofielen wel. Gedurende een groot deel van de aardse geschiedenis zijn extremofielen waarschijnlijk de meest voorkomende levensvormen geweest.
Door hun ‘extreme’ diversiteit bewonen microben een veel groter deel van het aardoppervlak dan de mens. Diep onder de grond, op de zeebodem, onder het Antarctisch ijs en zelfs in vulkanen. Iedere plek is uniek, maar er is altijd wel een extremofiel die er zijn thuis van heeft gemaakt. Zo zijn er extremofielen die leven bij hoge temperaturen (thermofielen), lage temperaturen (psychrofielen), hoge druk (barofielen), lage zuurgraad (acidofielen), hoge zuurgraad (alkalifielen) en hoge saliniteit (halofielen). Vaak zijn ze aan meerdere extremen tegelijk aangepast. Dit heet polyextremofiel. Denk bijvoorbeeld aan microben die op de zeebodem leven waar een hoge druk en tegelijkertijd een lage temperatuur heerst.
De thermofiele archaea (Methanopyrus kandleri) zijn eencellige micro-organismen die vaak extremen opzoeken. Deze leeft in hydrothermale diepzeebronnen bij temperaturen tot 122°C. Wij leven op zeeniveau met ongeveer 1 bar aan druk, maar de barofiele archaea Thermococcus piezophilus overleeft onder experimentele omstandigheden een druk van bijna 1300 bar. Dat is hoger dan de druk op het diepste punt in de oceaan, de Marianentrog (1100 bar). Zonder twijfel de meest extreme extremofiel is de bacterie Deinococcus radiodurans. Hij overleeft gammastraling tot 50,000 Gy (gray). De mens overleeft 5 Gy niet eens.
Extremofielen hebben vaak de meest bijzondere biologische oplossingen. Bijvoorbeeld speciale DNA-reparatiemechanismen of extra DNA-kopieën om zich te beschermen tegen schadelijke straling. Psychrofiele microben hebben veel onverzadigde vetten op hun celmembraan. Deze vetten blijven vloeibaar bij lage temperaturen waardoor het celmembraan soepel blijft. Halofiele organismen leven in een wereld waar de hoge zoutconcentratie normaal gesproken het vocht uit hun cel trekt. Maar met speciale stoffen in hun cel gaan ze deze osmose tegen. In sommige gevallen is zelfs de structuur van hun DNA anders. Het DNA van thermofielen heeft extra waterstofbruggen tussen de twee strengen waardoor het DNA niet uit elkaar valt bij hoge temperaturen.
De biotechnologie gebruikt veel enzymen van extremofielen. Enzymen zijn heel kieskeurig. Die van ons werken het beste bij 37°C en een neutrale pH. Maar die van de archaea Pyrococcus furiosus, die van nature bij 70°C leeft, werken het beste rond die temperatuur en overleven 37°C juist niet. In de voedingsmiddelenindustrie spelen thermofiele enzymen een belangrijke rol in de vele bakprocessen. Ook lage temperaturen zijn soms wenselijk. Zo wordt lactase (een enzym dat lactose afbreekt) van psychrofiele organismen gebruikt bij het maken van lactosevrije melk. Dit enzym doet gewoon z’n werk terwijl de melk in de koeling staat. ‘Ook wasmiddelen, zeer basische (hoge pH) producten, zitten vol extremofiele enzymen. De enzymen van alkalifielen breken zelfs bij een hoge pH de vuilresten af.’
Een van de belangrijkste toepassingen van extremofiele enzymen is te vinden in het laboratorium. Namelijk bij PCR, of ‘polymerase chain reaction’. PCR wordt veel gebruikt om DNA te vermeerderen en is cruciaal voor genetisch laboratoriumonderzoek, diagnostische testen in de medische wetenschap, en zelfs bij het opsporen van misdadigers. PCR is afhankelijk van het enzym polymerase dat de stukken DNA kopieert. Dit proces vindt plaats bij hoge temperaturen. En dus is er een polymerase nodig die daartegen kan. De meest bekende heet Taq-polymerase, vernoemd naar de thermofiel Thermus aquaticus waarvan het afkomstig is.
