Skrevet i Sten

På sit kontor i Building 68 holder Dianne Newman en poleret, kugleformet sten stribet med jernbånd. Findes på alle kontinenter, sådanne sten er den mest almindelige kilde til jernmalm. Og for Newman giver eksemplarer som dette 2,4 milliarder år gamle eksempel indsigt, der kunne hjælpe med at optrevle en meget knudret del af Jordens historie. Hvornår begyndte gamle mikrober at producere den ilt, vi indånder, og hvilken slags mikrober var de?

Newman havde ikke planer om at bruge sin karriere på at udforske sådanne spørgsmål. Hun kom til MIT i 1993 for at få en kandidatgrad i ingeniørvidenskab og troede, at hun ville arbejde inden for feltet i et par år, før hun gik på jurastudiet for at blive patentadvokat. Men en klasse i miljømikrobiologi gjorde hende fascineret af mangfoldigheden af ​​bakteriers stofskifte - de kemiske reaktioner, de udfører for at leve. Jeg lærte, at bakterier kunne spise giftige forbindelser og omdanne dem til godartede, husker hun. Et projekt, der fik bakterier til at omdanne arsen til et halvledende materiale, fik hende til at interessere sig for, hvordan bakterier kunne have formet Jordens kemiske sammensætning, og hun flyttede til den geovidenskabelige afdeling, hvor hun fik sin ph.d. Efter syv år på Caltech kom hun til MIT-fakultetet i 2007 som professor i biologi og geobiologi.

Denne historie var en del af vores november 2008-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Mikrober er de bedste kemikere på planeten, undrer Newman. Faktisk godt nok til at have omformet sit miljø. Da vores solsystem blev dannet for 4,5 milliarder år siden, var Jordens atmosfære næsten blottet for ilt. De første encellede livsformer, som opstod for omkring 3,8 milliarder år siden, levede sandsynligvis i havene og havde stofskifte, der hverken krævede ilt eller producerede det som et biprodukt. Nogle af dem ernærede sig af jern; deres metaboliske processer ændrede jernets kemiske tilstand og skabte aflejringerne i Newmans klippe. Andre fodrede sikkert med svovl.

Og så skete der noget, der ville muliggøre dyre- og planteliv, som vi kender det. Nogle bakterier begyndte at bruge sollys til at spalte vand til brint, som de brugte til at lave brændstof, og ilt, som de frigav som affald. Takket være oxygenisk fotosyntese havde atmosfæren og det laveste havvand betydelige niveauer af ilt for omkring 2,4 milliarder år siden; for omkring 540 millioner år siden var iltniveauet sammenligneligt med det, man ser i dag.

Spørgsmålet om, hvilken organisme der først begyndte at producere ilt, og hvornår, er et af de store mysterier i Jordens historie. Det er et rigtig svært problem, men virkelig forførende, siger Newman.

For at besvare det, fokuserer Newman og andre på MIT og rundt om i verden på sten som den på hendes kontor. Ligesom dinosaurknogler blev resterne af bakterier, der levede i de gamle have, inkorporeret i klippen over millioner (i bakteriernes tilfælde milliarder) af år. Forskere ved, at visse forbindelser kun fremstilles gennem processer udført i levende organismer, så når de ser sådanne forbindelser i en klippe, betyder det, at klippen afspejler spor af gammelt liv. Geobiologer fortolker disse bakterielle fossiler ved at sammenligne de kemiske forbindelser i dem med dem, der er skabt af moderne bakterier, der stadig er afhængige af ældgamle metaboliske processer. Gennem en sådan analyse håber de at finde frem til, hvilke mikrober der har lavet de kemiske forbindelser, der er tilbage i klipperne. Man skal se på funktionen af ​​disse kemikalier i masser af levende organismer, siger Newman. Denne form for logik forbinder os med fortiden.

Et af de vigtigste kemiske spor efterladt af gamle bakterier er en gruppe forbindelser kaldet 2-methyl-BHP'er. I 1999 fandt Roger Summons, en MIT-professor i geobiologi, og hans kolleger disse forbindelser i 2,5 milliarder år gamle sten fra Hamersley-bassinet i det vestlige Australien. Disse sten, fra en jernmine, ligner den polerede på Newmans kontor. I dag er iltproducerende fotosyntese, kaldet cyanobakterier, de primære producenter af disse BHP'er. Af denne grund og mange andre, inklusive visse karakteristika ved Hamersley-stedet, har Summons og andre fortolket fundet som bevis på, at cyanobakterier udførte moderne fotosyntese for 2,5 milliarder år siden. Logikken var, at disse forbindelser er lavet af cyanobakterier; cyanobakterier laver oxygenisk fotosyntese; derfor foregik iltfotosyntese på det tidspunkt, siger Newman.

Newman mener, at hendes egen forskning sår tvivl om denne konklusion. Hun har studeret en anden bakteriestamme, der producerer BHP'er: såkaldte lilla bakterier, som ikke kan bruge vand til at producere ilt. I stedet oxiderer de jern, brint eller forskellige organiske forbindelser. Vi forsøger at finde ud af funktionen af ​​[BHP'er] i de celler, der gør dem i dag, siger hun. Vores foreløbige resultater indikerer, at BHP'er ikke har nogen direkte forbindelse med fotosyntese. Summons, der samarbejder med Newman om noget af hendes forskning, tager ikke hendes skepsis personligt; han er overbevist om, at hendes arbejde vil føre til vigtig indsigt i disse forbindelser og især hvorfor og hvordan bakterier fremstiller dem. Han påpeger dog også, at hendes resultater ikke modbeviser teorien om, at kemiske spor efterladt af cyanobakterier er bevaret i Hamersley.

I mellemtiden belyser Newmans arbejde med bakterielle forbindelser kendt som phenaziner et problem, der er mere umiddelbart end mysteriet om, hvordan vores iltrige luft blev til. Ved at ændre den måde, forskerne forstår disse organiske molekyler på, kan hendes forskning føre til nye behandlinger for kroniske bakterielle infektioner.

Phenaziner har længe været klassificeret som sekundære metabolitter, biprodukter af de processer, der producerer mere kritiske metaboliske forbindelser. De har også længe været kendt for at fungere som antibiotika. Men Newman har vist, at phenaziner også har dybtgående virkninger på mikrobiel overlevelse og udvikling.

Newman fik ideen til denne forskning, mens han studerede bakterier, der, hvor mærkeligt det end lyder, bruger jernholdige sten til at trække vejret. Mennesker bruger ilt til at forbrænde kulstoffet i f.eks. en tunsandwich, hvilket skaber energi; iltens rolle er at modtage elektroner fra kulstoffet. Jern spiller en lignende rolle for de stenåndende bakterier, som får deres energi, når de overfører elektronerne i kulstofholdige forbindelser som glucose til jernet i sten. Det trækker ikke vejret i menneskelig forstand - selve jernet kommer ikke ind i cellerne, da ilt kommer ind i vores lunger. I stedet sender stenåndende bakterier en elektrisk strøm til jernet ved hjælp af molekyler, der fungerer som elektronpendler. Disse molekyler transporterer elektroner fra den ene bakteriecelle til den næste og i sidste ende til overfladen af ​​en jernholdig sten, som hænderne på et publikum, der færger en crowd-surfende rockstjerne. Newman og hendes kolleger antager, at phenaziner kan fungere som elektron-shuttle i andre bakterier.

Hvis de har ret, kan deres indsigt have bredere implikationer, fordi den adresserer, hvad Newman kalder et generisk problem, som bakterier står over for, der vokser på enhver overflade. Få bakterier lever alene. Lige meget hvor og hvordan de får deres energi – uanset om de smager sukkerarterne i dine tænders sprækker eller slurper svovl fra undersøiske åbninger – lever de fleste bakterier i tykke, klæbende samfund kaldet biofilm. Inde i en biofilm vil nogle af dem være tættere end andre på de kemikalier, de skal bruge for at udføre deres energiproducerende reaktioner. Da Newman tænkte på den måde, hvorpå jernåndende bakterier bruger elektron-shuttles til at transportere deres elektroner fra dybt inde i en biofilm til en klippeoverflade, indså hun, at bakterier, der vokser i biofilm i vores kroppe, kunne gøre noget lignende.

Newman besluttede at teste vigtigheden af ​​phenaziner produceret af det humane patogen Pseudomonas aeruginosa, som forårsager alvorlige kroniske infektioner hos mennesker, der har cystisk fibrose, eller hvis immunsystem er blevet kompromitteret. Når de lever i lungerne, ville disse bakterier løbe ind i det samme problem, som stenen ånder verdener væk: dem i midten af ​​biofilmen ville blive isoleret fra et vigtigt energisubstrat, i dette tilfælde ilt.

For at teste, om disse bakterier kunne bruge phenaziner til at overvinde udfordringerne ved at leve sammen, konstruerede forskere i Newmans laboratorium to mutantstammer af dem. Den ene stamme kunne ikke lave phenaziner, mens den anden lavede dem i store mængder. Da Newman og hendes samarbejdspartnere dyrkede bakterierne i petriskåle, så de forskelle i deres lokalsamfunds arkitektur. Den overproducerende stamme voksede i et tæt, glat lag, spredt ud som Los Angeles. Den fenazinfri stamme spredte sig også over et stort område, men voksede i høje tårne, bygget op som New York City - formentlig for at maksimere hver celles eksponering for ilten i luften.

Disse resultater er lovende; nu skal Newman udføre tests for at se, hvordan de to mutantstammer vokser i lungen. Hvis Pseudomonas har brug for phenaziner for at overleve, kunne forskere i teorien udvikle terapier, der forhindrer bakterierne i at syntetisere eller gøre brug af dem; som kunne hjælpe med at udrydde kroniske infektioner.

Adgang til ilt i dag er lige så meget et problem som at få adgang til et mineral tidligere, siger Newman. Det er netop sådanne forbindelser, der gør geobiologi til en rig og overraskende ånd af viden, ikke kun om planetens historie, men om vores nutid.

skjule