Mars in een BOX – Microben overleven in Mars-omstandigheden.

20 woorden voor de hoofdpagina

Breaking down the microbiology world one bite at a time


Mars in een BOX – Microben overleven in Mars-omstandigheden.

De eerste succesvolle missie naar Mars was al in 1964 door Mariner IV, die de eerste close-up foto’s van het oppervlak verstuurde. In de volgende 50 jaar zijn we onze buurplaneet blijven verkennen en hebben we met succes meerdere Mars rovers geland om de planeet in meer detail te verkennen. De rovers Curiosity en Opportunity (de laatste werkt helaas niet meer) zouden naar bewijs zoeken voor onder andere water en ‘vroeg’ leven (chemische bouwstenen, biologische sporen).

Onlangs, op 18 februari 2021, landde een nieuwe Mars rover genaamd Perseverance op Mars. Eén van de hoofddoelen van deze rover (ter grootte van een auto) is om ‘oude’ milieus van Mars te identificeren die mogelijk in staat waren om leven te ondersteunen, en bewijs te vinden van microbieel leven in die milieus!

Raketsporen en wielafdrukken van Perserverance. Credit: NASA/JPL-Caltech

Tot dusver hebben onderzoekers ontdekt dat het oppervlak van Mars erg droog is en daarbij onderhevig is aan extreem lage druk en temperaturen. Bovendien, bij gebrek aan een substantiële atmosfeer, kunnen verschillende soorten straling zoals UV en gammastralen het oppervlak van de planeet bombarderen. Vanuit een aards standpunt lijkt het alsof het Marsoppervlak niet geschikt is voor enige vorm van leven…

Waarom willen we dan eigenlijk weten of onze ‘aardse’ microben de ruimtereis zouden overleven en bovendien, of ze op Mars kunnen groeien? Met de geplande bemande missies naar Mars in de toekomst kunnen microben zeer nuttig zijn voor het overleven van de astronauten. Microben kunnen ons helpen om, onafhankelijk van de aarde, voedingsstoffen en materiaal te maken. Een voorbeeld hiervan is het gebruik van schimmeldraden om schuim, hout, vloeren en meubels (deels) te vervangen, zoals uitgelegd in deze interessante recensie. En het is misschien nog belangrijker om te weten of microben die geassocieerd zijn met de mens kunnen overleven op de planeet. Want sommige daarvan kunnen een gezondheidsrisico vormen voor ons.

In een recente studie door Marta Cortesão en collega’s zijn vier microben getest op hun overlevingskansen onder Mars-omstandigheden. Deze onderzoeken worden meestal uitgevoerd in een Mars-achtige omgeving op aarde, op plaatsen waar droogte, extreme temperaturen en verhoogde stralingsintensiteit het landschap domineren. Een dergelijke omgeving is echter ook in de stratosfeer te vinden (ongeveer 10~50 km boven het aardoppervlak). En deze omgeving lijkt misschien nog meer op wat we op Mars hebben aangetroffen dan de Mars-achtige omgevingen op aarde: Intense (full spectrum) UV-straling, uitdroging, lage zuurstof niveaus en ultra lage temperaturen/druk. En deze omgeving is precies waar Marta Cortesão en collega’s het experiment hebben uitgevoerd. 

MARSBOx (Microbes in Atmosphere for Radiation, Survival, and Biological Outcomes Experiment) (figuur uit oorspronkelijk artikel).

Met behulp van een wetenschappelijke weerballon die tot grote hoogte kan vliegen, stuurden de auteurs ‘MARSBOx’ voor zeven uur lang tot ongeveer 38 km hoogte (MARSBOx is een acroniem voor ‘Microbes in Atmosphere for Radiation, Survival, and Biological Outcomes Experiment’). Ze keken naar de overleving en stofwisseling van vier micro-organismen die relevant zijn voor de astrobiologie, terwijl ze de straling en andere omgevingsfactoren in de gaten hielden.

De hypothese was dat soorten die normaal opgroeien in extreme omgevingen op aarde goed zouden kunnen overleven in Mars-omstandigheden. Daarom werden twee van deze bacteriële ‘extremofielen’ (Salinisphaera shabanensis en Buttiauxella sp.) onderzocht. Deze twee soorten zijn geïsoleerd uit Mars-achtige omstandigheden op aarde. S. shabanensis is namelijk te vinden in extreem zoute omstandigheden op 1,3 kilometer onder het zeeoppervlak. Buttiauxella wordt normaal aangetroffen in zuurstof- en voedselarm bronwater dat veel zwavel bevat. 

Ook werd er gekeken naar de bacterie Staphylococcus capitis (een huidbacterie) en de schimmel Aspergillus niger. Deze microben zijn gekozen omdat ze ziekte kunnen veroorzaken (het zijn zogenoemde ‘opportunistische pathogenen’), maar ook omdat ze al eens gevonden zijn in het internationale ruimtestation (ISS) en waarschijnlijk mee zullen reizen naar bemande missies naar Mars. 

Klaarmaken van de microben in MARSBOx (figuur uit oorspronkelijk artikel).

Overleving
Een van de vier soorten, Buttiauxella, heeft zowel de controles in het laboratorium als de MARSBOx testen niet overleefd. De andere drie soorten overleefden de tests met verschillend resultaat. De bacteriën werden onder verschillende omstandigheden getest:

  1. Laboratorium condities op aarde (5 maanden van extreme droogte) – Lab conditions
  2. In de onderste laag van de MARSBOx, waar ze afgeschermd zijn voor straling – Bottom layer
  3. In de bovenste laag van de MARSBOx, waar ze Mars-achtige straling ondergaan – Top layer

Voor de schimmel A. niger zijn zowel een enkele laag van sporen (monolayer) als een dikke laag sporen (multilayer) getest. 

Beweeg de slider om te veranderen tussen het figuur uit het artikel en de aangepaste versie.

In de figuur hierboven kan je zien hoeveel bacteriecellen (bacterial survival) of schimmelsporen (fungal spore survival) de barre omstandigheden hebben overleefd. Beide bacteriën zijn erg gevoelig voor straling, aangezien slechts één cel op de miljoen kon groeien voor S. shabanensis. S. capitis kon zelfs helemaal niet groeien wanneer het blootgesteld was aan de straling. De sporen van A. niger konden daarentegen de straling behoorlijk goed doorstaan: Minstens een op de honderd sporen overleefde!

Celwand-stress
De auteurs keken ook naar de reactie op celwand-stress bij de schimmel A. niger. Ze lieten een bepaald aantal sporen groeien (na blootstelling aan straling) in aanwezigheid van twee stoffen die celwand-stress bij schimmels veroorzaken. Daarna keken ze hoe goed de schimmel nog kon groeien. De twee stoffen zijn een antischimmelmiddel (Caspofungine), en een stof die bekend staat om celwand-stress te veroorzaken (Calcofluor White). Zoals hieronder te zien is, kunnen sporen die afgeschermd waren voor straling minder goed groeien wanneer ze blootgesteld worden aan de twee stoffen. Sporen die wel blootgesteld waren aan straling blijken zeer gevoelig te zijn voor celwand-stress, en groeiden alleen wanneer een groot aantal sporen op de plaat werd gekweekt. 

Verschillende reacties van A. niger op celwand-stress (figuur uit oorspronkelijk artikel).

Kortom, drie van de vier soorten hebben de reis overleefd! Ze konden tijdelijk de (barre) omstandigheden van de stratosfeer aan, en zouden mogelijk kunnen overleven op het Marsoppervlak. Deze studie geeft een beter zicht op welke microben zouden kunnen overleven in omstandigheden die normaal als ‘dodelijk’ worden beschouwd. 

Dit experiment is slechts het begin, omdat we nog niet weten welke mechanismen deze microben gebruikten om te overleven. Een van de hypotheses is dat A. niger een ‘zonnebrandcrème-achtig’ pigment aanmaakt, of een cellulaire structuur heeft dat de sporen beschermt tegen de straling. Verder onderzoek zou wetenschappers kunnen helpen om te bepalen WAAROM deze microben het overleefden en WELKE mechanismen ze daarvoor moesten gebruiken.

Een volgende missie voor MARSBOx staat al op het programma: hij zal vanuit Antarctica de stratosfeer invliegen, waar de omstandigheden (straling van de zon en kosmische straling) nog meer zullen lijken op die van mars. En met een hernieuwde focus op Mars (mede dankzij de nieuwe Mars rover Perseverance), zal de behoefte aan meer Mars-analoge studies de komende jaren alleen maar toenemen. 

Foto genomen vanaf MARSBOx in de stratosfeer tijdens het experiment (figuur uit oorspronkelijk artikel).

Link naar het originele artikel: Cortesão Marta, Siems Katharina, Koch Stella, Beblo-Vranesevic Kristina, Rabbow Elke, Berger Thomas, Lane Michael, James Leandro, Johnson Prital, Waters Samantha M., Verma Sonali D., Smith David J., Moeller Ralf, MARSBOx: Fungal and Bacterial Endurance From a Balloon-Flown Analog Mission in the Stratosphere, Frontiers in Microbiology (Feb 2021)

Uitgelichte foto: Foto genomen vanaf MARSBOx in de stratosfeer tijdens het experiment (figuur uit oorspronkelijk artikel).


Vertaald door: Charlotte van de Velde