Ce este materia neagră microbiană?

Deşi invizibile cu ochiul liber, ele sînt cele care domină planeta: microorganismele sînt cele mai abundente forme de viaţă de pe Terra, constituind 60% din biomasa terestră. Şi totuşi, abia 1% din această fantastică bogăţie de specii de vieţuitoare este cunoscută oamenilor de ştiinţă – puţinele specii care pot fi cultivate în laborator. Celelalte – imensa majoritate, adică – alcătuiesc o uriaşă enigmă vie: mii de specii aproape neştiute, o fabuloasă diversitate de creaturi în privinţa cărora cunoaşterea umană este extrem de firavă. Este unul dintre cele mai mari mistere ale vieţii pe Pămînt, la fel de fascinant, de greu de cuprins cu mintea şi dificil de studiat ca şi faimoasa materie neagră din care este alcătuit, în cea mai mare parte, Universul în care trăim. Asta a şi inspirat numele pe care îl poartă, în cercul puţinilor cercetători care explorează acest imens mister al lumii vii, ansamblul de microorganisme aproape necunoscute care domină aproape toate ecosistemele planetei: materia neagră microbiană.

Ce sînt „microbii”?

De obicei, numim „microbi” microorganismele patogene care ne produc neplăceri legate de sănătate; mulţi dintre noi nu prea fac deosebire între bacterii şi virusuri (deşi din punct de vedere biologic, deosebirile dintre aceste tipuri de entităţi biologice sînt foarte mari), iar uneori, chiar şi ciuperci microscopice patogene ori vreun parazit sînt categorisite (nu de medici, desigur, ci de publicul larg de nespecialişti) drept tot un fel de „microbi”. Oricum, multă vreme criteriul de bază, pentru noi, a fost patogenitatea: microbi erau acele microorganisme care provocau boli. În schimb, în limba engleză – în momentul de faţă limba internaţională a ştiinţei – sînt numite „microbes” o varietate largă de organisme microscopice, indiferent dacă acestea sînt sau nu patogene pentru om: bacterii, archee, fungi (ciuperci) microscopice, alge unicelulare, protozoare; cîteodată sînt cuprinse în acest grup chiar şi animale microscopice. Unii cercetători includ între microbi şi virusurile, alţii însă consideră că virusurile nu sînt cu adevărat fiinţe vii, aşa că le exclud dintre „microbi”, cu toate că, tradiţional, ramura foarte complexă a ştiinţei ce studiază microorganismele – microbiologia – se ocupă şi de virusuri, în cadrul unei sub-ramuri specializate, virusologia sau virologia, cum este numită mai nou. Cum să ne descurcăm în atîtea definiţii? Pentru scopul acestui articol, să adoptăm un punct de vedere mai restrîns, aşa cum au făcut şi cercetătorii care au reuşit, recent, să facă primii paşi în lumea necunoscută a materiei negre microbiene.

Ei s-au concentrat asupra două categorii de „microbi”: bacteriile şi archeele, pe cît de larg răspîndite în biosfera terestră, pe atît de puţin cunoscute, după cum veţi vedea. Bacteriile şi archeele, care constituie două dintre domeniile lumii vii, aşa cum este ea clasificată la ora actuală, sînt organisme microscopice unicelulare, procariote (lipsite de nucleu şi de organite celulare delimitate de membrane), cu materialul genetic organizat sub forma unui cromozom circular care pluteşte în citoplasma celulei. 

Multă vreme, archeele au fost considerate tot bacterii – un subgrup aparte de bacterii, numite „arhebacterii”; în ultimele decenii, însă, cercetări mai aprofundate de microbiologie, mai ales în domeniul filogeniei moleculare (care analizează genele pentru a stabili gradul de înrudire dintre diferite specii) au arătat că archeele nu seamănă îndeajuns de mult cu bacteriile pentru a fi puse laolaltă cu acestea. Ele au, în structura şi funcţia celulei, unele caracteristici prin care se aseamănă cu bacteriile, dar şi altele prin care se deosebesc net de acestea, apropiindu-se în schimb de eucariote (organismele ale căror celule au materialul genetic conţinut în nucleu). Una peste alta, archeele formează un grup cu trăsături aparte, aşa că au fost scoase din rîndul bacteriilor şi instalate într-un loc al lor: domeniul Archaea. Prin urmare, bacteriile şi archeele sînt „microbii” noştri de azi, microorganismele despre care vom vorbi – atît cît se ştie despre ele. În ciuda multor decenii de studiu, descoperirea materiei negre microbiene a arătat că, de fapt, ştim încă foarte puţin.

O lume stăpînită de microbi

Viaţa pe Pămînt, aşa cum o cunoaştem noi, n-ar fi posibilă fără microorganisme, afirmă Christian Rinke, unul dintre cercetătorii care studiază cel mai intens aceste forme de viaţă. O mare parte din oxigenul pe care îl respirăm e produs de microbi; cu ajutorul lor producem alimente precum iaurtul, brînza, berea şi vinul; în industria farmaceutică, microorganisnmele sînt utilizate drept micro-uzine, pentru a produce, de pildă, insulina necesară diabeticilor. Trăim cu adevărat într-o lume stăpînită de aceste forme de viaţă. Noi n-am putea trăi fără ele, dar ele s-ar descurca de minune fără noi. 

Microorganismele constituie aproximativ 60% din biomasa terestră şi se găsesc… dar unde nu se găsesc? Numărul microorganismelor dintr-o linguriţă plină cu pămînt e mai mare decît cel al tuturor oamenilor de pe planetă. Apa oceanelor e plină de ele - de la apele călduţe din lagunele tropicale pînă la cele îngheţate ale Antarcticii şi cele fierbinţi din preajma izvoarelor vulcanice submarine. Trăiesc în fel de fel de medii de viaţă, pe crestele munţilor şi în nisipul deşertului, în reactoarele nucleare şi în organismul uman. Iar din enorma varietate de microorganisme, nu cunoaştem decît o foarte mică parte. Cauza? Microbiologii studiază, în general, aceste forme de viaţă cultivîndu-le în laborator, pentru a obţine un număr suficient de celule microbiene care să le permită să facă diferite teste şi să extragă din ele ADN, pentru a-l analiza.

Dar microorganismele ce pot fi cultivate pe medii artificiale, în laborator, sînt o minoritate. Se estimează că abia 1% dintre specii pot fi crescute astfel, pe medii de cultură. În rest, în noi şi în jurul nostru există o întreagă lume de forme de viaţă necunoscute, despre care ştim frustrant de puţin. Dar, recent, noi metode de studiu în domeniul geneticii au permis cercetătorilor să arunce o privire în această lume misterioasă. 

„Materia neagră” a biosferei

Un colectiv numeros de cercetători (peste 20), în frunte cu Christian Rinke, specialistul deja menţionat – colectiv care a publicat de curînd un articol pe această temă în revista Nature – a aplicat o metodă numită single cell sequencing (o secvenţiere „celulă cu celulă”), care are marele avantaj de a permite secvenţierea genomului (ansamblul genelor unui organism) fără a fi necesară cultivarea acelui organism în laborator. În esenţă, metoda presupune amplificarea de un miliard de ori a ADN-ului unei singure celule microbiene (copierea lui de multe ori, pentru a obţine o cantitate suficientă de ADN, care să poată fi analizată). Primul pas este prelevarea unei probe biologice, a unui eşantion de material din mediu, conţinînd microorganisme. Apoi, celulele microbiene din eşantion sînt efectiv alese una cîte una, prin intermediul unui aparat de sortare ce detectează celulele cu ajutorul unui laser şi le separă – fiecare celulă fiind inclusă într-o picătură minusculă de lichid – cu ajutorul forţei electrostatice. Apoi, cercetătorii iau la rînd fiecare celulă astfel obţinută, încercînd să afle ce este, din ce grup face parte. Pentru asta, mai întîi înlătură învelişul celulei, pentru a avea acces la conţinutul ei, unde se găseşte ADN-ul. Adaugă un cocteil de substanţe ce conţine o enzimă numită phi29, care are capacitatea de a amplifica lanţuri foarte lungi de ADN – adică de a favoriza copierea lor de foarte multe ori – şi, după ce lasă enzima să-şi facă treaba timp de cîteva ore, obţin miliarde de copii ale genomului microbian şi se pot apuca de secvenţierea lui, aflînd astfel ce gene conţine. Au reuşit, astfel, să descifreze secvenţa de gene a 201 specii de microorganisme noi pentru ştiinţă şi aşa de puţin similare cu cele cunoscute anterior, încît cercetătorii au fost nevoiţi să deseneze noi ramuri pe „arborele vieţii” – arborele filogenetic al vieţuitoarelor – pentru a găzdui formele de viaţă nou-descoperite. Creaturile proaspăt identificate au luat loc pe 29 de „ramuri”, dintre care unele erau abia schiţate, iar altele niciodată imaginate pînă atunci. Şi acesta e abia începutul. Cunoaşterea noastră în privinţa biodiversităţii microbiene a planetei rămîne în continuare foarte lacunară. Cu alte cuvinte, arborele vieţii mai are o mulţime de ramuri necercetate.

Viaţa din adîncul planetei

Un alt pas a fost făcut anul acesta, în urmă cu doar cîteva săptămîni, cînd, la o conferinţă ştiinţiifcă desfăşurată în California, două cercetătoare din SUA, Beth Orcutt, de la Bigelow Laboratory for Ocean Sciences din East Boothbay şi Jill Banfield de la University of California, Berkeley, au prezentat, separat, comunicări privind rezultatele studiilor lor asupra formelor de viaţă microbiene din unele habitate cu condiţii neobişnuite de viaţă. Microorganismele studiate de ele trăiesc în adîncul pămîntului, unele în apele freatice, altele încă mai adînc, sub scoarţa terestră.

Jill Banfield a folosit, în studiul condus de ea, o abordare „în forţă”, cum spune autoarea unui articol publicat în New Scientist asupra acestor descoperiri. Metoda ei, numită metagenomică, presupune secvenţierea „la grămadă” a genoamelor tuturor organismelor dintr-o probă de sol sau apă – un fel de „recensămînt genetic”, după expresia aceleiaşi autoare. Prin intermediul acestei abordări, se obţin informaţii despre bogăţia formelor de viaţă dintr-un ecosistem şi despre modul în care acestea interacţionează unele cu altele. 

Dar secvenţierea genoamelor a zeci sau sute de specii diferite dintr-o dată este foarte dificilă, aşa că Jill Banfield a trebuit să găsească o soluţie de a facilita analiza. Ea a folosit o metodă computerizată avansată, utilizînd algoritmi foarte sofisticaţi pentru a reasambla digital porţiuni scurte de ADN, obţinînd genoame întregi. Cu ajutorul acestei metode, ea şi colaboratorii ei au identificat microorganismele ce trăiau în apa dintr-o pînză freatică din statul Colorado. Unele dintre acestea sînt foarte rare, alcătuind mai puţin de 0,1% din vieţuitoarele ecosistemului.

Analiza a identificat unele specii cunoscute, dar şi multe complet nestudiate. Mulţi dintre aceşti microbi misterioşi au celule foarte mici, cu genoame de dimensiuni reduse, ce conţin gene necunoscute cercetătorilor. În cazul a 50% dintre genele din aceste genoame, nu se ştie ce funcţii îndeplinesc, spune cu mirare Jill Banfield. Multe dintre speciile descoperite sînt complet necunoscute, nu seamănă cu nimic din ceea ce a fost studiat pînă acum în culturi de laborator, dar sînt înrudite între ele, alcătuind un grup aparte – încă o ramură nouă pe arborele filogenetic al vieţuitoarelor!

Şi surprizele nu se opresc aici. Unele dintre aceste microorganisme par nu prezinte metabolism, deci nu s-ar putea hrăni singure şi ar trebui să se bazeze pe alte specii pentru a supravieţui. (Una dintre consecinţele acestui fenomen este faptul că ele nu pot creşte pe mediile de cultură folosite în mod obişnuit în laborator, ceea ce ar explica de ce au rămas pînă acum necunoscute.) Beth Orcutt, pe de altă parte, s-a concentrat asupra unui alt habitat prea puţin studiat pînă acum în ceea ce priveşte speciile pe care le adăposteşte: cursurile de apă ascunse în adîncul pămîntului, sub planşeul submarin, ce curg prin fisuri ale scoarţei terestre, aflate la mare adîncime. Iar cercetările ei au arătat că acolo există o întreagă lume subpămînteană, necunoscută, plină de secrete, unde forme de viaţă stranii – prin comparaţie cu cele pe care le cunoaştem deja – trăiesc în condiţii extreme, netulburate poate de sute de milioane de ani. 

Pentru a ajunge la aceste creaturi, Beth Orcutt şi echipa ei au folosit puţuri săpate - cu ajutorul unor instalaţii de forare de mare adîncime - în lanţul de munţi submarini Juan de Fuca, din nord-estul Pacificului, o regiune unde se întîlnesc mai multe plăci tectonice. Cu ajutorul unui vehicul subacvatic telecomandat, cercetătorii au colectat apă din aceste puţuri, apă care, cred ei, nu provine din ocean, ci s-a infiltrat din cursurile de apă de sub fundul oceanului. Ar fi, probabil, cea mai primitivă şi neatinsă apă care poate fi obţinută din biosfera marină de mare adîncime, crede Orcutt.

Echipa ei a folosit metoda secvenţierii „celulă cu celulă” şi, ca şi Jill Banfield, a descoperit o mulţime de specii noi pentru ştiinţă, iar descoperirea lor ridică o serie de întrebări pe cît de dificile, pe atît de pasionante. Cea dintîi întrebare ar fi: cum supravieţuiesc aceste organisme? Sau, mai exact, ce „mănîncă” ele? Analiza genelor lor sugerează că ar consuma metan; nu e un lucru surprinzător în sine, căci în lumea bacteriilor sînt cunoscute multe specii care folosesc metanul drept sursă de energie. Ciudăţenia e alta: de unde îşi procură metanul, de vreme ce sub şirul de munţi submarini Juan de Fuca nu prea există metan, după cum au arătat studii geologice anterioare?

Cercetări viitoare vor trebui să elucideze acest mister, printre multe altele. Unul dintre cele mai incitante domenii ale microbiologiei actuale, studiul materiei negre microbiene (de altfel, prezentă şi în microbiomul uman, care e departe de a-şi fi dezvăluit secretele) va aduce, cu mare probabilitate, în anii următori, un număr considerabil de descoperiri uimitoare. Ştim încă foarte, foarte puţin despre aceste creaturi cu care împărţim Pămîntul şi dintre care multe trăiesc în condiţii extreme, ducînd o viaţă ale cărei mecanisme scapă deocamdată înţelegerii noastre. Ceea ce ştim cu siguranţă este că există, mai peste tot în jurul nostru, o întreagă lume de fiinţe nevăzute, pe cît de mici, pe atît de însemnate în viaţa planetei şi pe care abia începem să le cunoaştem.

Mihaela STĂNESCU