Tuliamööba siirsi eukaryoottisen elämän lämpörajan 63 asteeseen

Pieni, Kalifornian Lassen Volcanic National Parkin geotermisistä vesistä eristetty ameeba on siirtänyt tumallisten solujen tunnetun lämpörajan uuteen lukemaan. Incendiamoeba cascadensis — nimeltään suunnilleen ”Kaskadien tuliamööba” — kasvaa ja käy läpi mitoosin 63 °C:ssa. Se on korkein toistaiseksi dokumentoitu lämpötila, jossa eukaryootti eli tumallinen eliö jakautuu. Amoeba voi myös toipua, jos se altistetaan viideksi minuutiksi 70 °C:lle ja palautetaan viileämpiin oloihin. Toipuminen ei kuitenkaan ole sama asia kuin jatkuva kasvu tai lisääntyminen 70 asteessa. 117

Ratkaisevaa oli solujen kasvun ja jakautumisen seuraaminen

Pelkkä ympäristönäyte ei vielä kertoisi, pystyykö eliö todella lisääntymään tietyssä lämpötilassa. Tutkijat eristivät ameeban kuumasta lähteestä ja kasvattivat sitä laboratoriossa, jolloin sen kasvua, liikettä ja solunjakautumista voitiin mitata hallituissa lämpöoloissa. 17

Näin lämpöennätys varmistettiin usealla tavalla:

• Kasvukokeissa solujen lisääntymistä havaittiin korkeissa lämpötiloissa; voimakkainta kasvua raportoitiin noin 57 °C:ssa, ja kasvu jatkui 63 °C:seen saakka. 39
• Mikroskopiassa nähtiin mitoosi 63 °C:ssa. Näin lisääntymistä ei päätelty vain solumäärän muutoksesta. 17
• Korkean lämpötilan elävien solujen kuvantamisella mitattiin liikettä 64 °C:seen asti. NASA:n mukaan eliö voi pysyä osittain aktiivisena 66 °C:ssa. 117
• Lämpöshokkikokeissa solut kykenivät toipumaan viiden minuutin altistuksesta 70 °C:ssa, kun ne palautettiin alempaan lämpötilaan. 1

Olennaista on erottaa kasvun lämpöraja ja lyhytaikainen selviytymisraja. Ennätystulos on aktiivinen kasvu ja solunjakautuminen 63 °C:ssa — ei lisääntyminen 70 °C:ssa. 117

Kuumuudessa ameeba vaihtaa selviytymistilaan

Kun lämpötila ylittää jakautumiselle sopivan alueen, I. cascadensis muuttaa muotoaan ja voi muodostaa suojaavan, kystamaisen ulkokerroksen. Tällöin se siirtyy lepotilaan, josta se voi aktivoitua uudelleen lämpötilan laskiessa. 35

Lämpötila	Havaittu toiminta
57 °C	Vilkasta kasvua ja lisääntymistä viljelmässä. 39
63 °C	Aktiivista kasvua ja mitoosia; korkein eukaryootilta dokumentoitu lämpötila. 117
70 °C	Lyhyt altistus voidaan selviytyä ja siitä voidaan toipua, mikä liittyy kystan muodostamiseen. Tämä ei ole lisääntymislämpötila. 13

Genomi tarjoaa vihjeitä, ei vielä lopullista selitystä

Tutkijat kokosivat ameeban genomin ja vertasivat sitä muihin eliöihin. I. cascadensis -ameeballa havaittiin runsaasti geenejä, jotka liittyvät proteostaasiin eli toimivien proteiinien ylläpitoon, genomin vakauteen ja ympäristön aistimiseen. 17

Tällaiset ominaisuudet ovat järkeenkäypiä äärimmäisessä kuumuudessa: lämpö voi horjuttaa proteiinien rakennetta, lisätä niiden haitallista paakkuuntumista ja kuormittaa DNA:ta sekä muuta solukoneistoa. Genomivertailu tunnistaa mahdollisia mekanismeja, mutta se ei vielä osoita, että jokin yksittäinen geeni aiheuttaisi lämmönsiedon. 17

Tutkimuksesta kertovissa aineistoissa nostetaan esiin myös proteiinien pinnan kemiallisia piirteitä, jotka voivat ehkäistä kuumuuden aiheuttamaa paakkuuntumista. Samantapaisia toiminnallisia ratkaisuja tunnetaan lämpöä suosivilla bakteereilla ja arkeilla, esimerkiksi positiivisesti varautuneisiin aminohappoihin liittyvinä proteiinia vakauttavina vaikutuksina. 812

Kyse on todennäköisimmin konvergentista evoluutiosta: kaukaista sukua olevat eliöt voivat päätyä samankaltaisiin molekyylitason ratkaisuihin kohdatessaan saman fysikaalisen ongelman. Tämä ei tarkoita, että tuliamööba olisi perinyt lämmönsietonsa suoraan bakteereilta tai arkeilta. 812

Miksi 63 astetta muuttaa käsitystä elämän rajoista

Eukaryootit ovat eliöitä, joiden soluissa on tuma ja muita kalvorakenteisia soluelimiä. Ryhmään kuuluvat eläimet, kasvit, sienet ja monet yksisoluiset mikrobit. Ennen tätä havaintoa eukaryoottien lisääntymisen ylärajaksi hyväksyttiin noin 60 °C. 117

Löytö ei tarkoita, että kaikki monimutkaiseksi kutsuttu elämä kestäisi tällaisia oloja. I. cascadensis on geotermisiin ympäristöihin erikoistunut yksisoluinen eukaryootti. Se kuitenkin osoittaa, että tumallinen solu pystyy koordinoimaan vaativan mitoosin lämpötilassa, jota pidettiin aiemmin eukaryooteille saavuttamattomana. 117

Mahdollisuuksia avaruustutkimukselle ja bioteknologialle

Astrobiologiassa Maan kuumat lähteet toimivat vertauskohteina muiden maailmojen nykyisille tai muinaisille hydrotermisille ympäristöille. Tumallisen soluelämän toiminta 63 °C:ssa laajentaa todistettua lämpötila-aluetta, jolla tällaista elämää voidaan pitää mahdollisena — jos nestemäistä vettä ja sopivaa kemiaa on saatavilla. NASA on korostanut löydön merkitystä tässä yhteydessä. 1

Bioteknologiassa ameeban proteiinien ylläpitoon, DNA:n vakauteen ja stressivasteeseen liittyvät järjestelmät voivat tarjota kohteita tulevalle tutkimukselle. Niistä saatetaan joskus saada lämpöä kestäviä entsyymejä, molekyylireagensseja tai muokattuja soluja. Toistaiseksi kyse on kuitenkin tutkimussuunnasta, ei valmiista teknologiasta. 17

Seuraava kysymys: mikä mekanismi todella tekee ameebasta näin kestävän?

Vahvin johtopäätös on havaintoon perustuva: I. cascadensis kasvaa ja jakautuu 63 °C:ssa sekä voi toipua lyhyestä 70 °C:n altistuksesta. 117

Molekyylitason selitys on vielä avoimempi. Vertailugenomiikka voi osoittaa rikastuneita geeniryhmiä ja proteiinien ominaisuuksia, mutta yksittäisiä geenejä ja proteiineja muokkaavia kokeita tarvitaan sen selvittämiseksi, mitkä mekanismit ovat välttämättömiä poikkeukselliselle lämmönsiedolle. Tutkimus on lähteessä 17 esitetty vertaisarvioimattomana preprint-julkaisuna, joten erityisesti mekanismeja koskevat tulkinnat odottavat riippumatonta varmistusta. 17