Jak mikrobi vyrábějí raketové palivo?

O bakteriích slyší většina z nás jen čas od času, například když je lékař identifikuje jako původce infekční nemoci, která nás právě postihla. Bez nadsázky lze však říci, že bez bakterií by naše planeta nebyla tím, čím je.

Proces zvaný anammox, který ovládají jen některé výjimečně „nadané“ bakterie, patří k těm úplně nejklíčovějším pro všechny ostatní živé tvory na Zemi. Je totiž spoluzodpovědný za rozklad dusíkatých sloučenin do podoby molekulárního dusíku.
Po 20 letech po objevu tohoto procesu se jeho molekulární podstatu podařilo nedávno rozplést týmu špičkových holandských odborníků. Výsledky práce jeho týmu by v budoucnu mohly nalézt řadu nečekaných, ale velmi důležitých praktických využití.

Mocná planetární síla

Úlohy bakterií v globálním ekosystému jsou tak početné a tak významné, že jen jejich vyjmenování by zabralo řadu tiskových stran. K těm nejdůležitějším patří vracení molekulárního dusíku (N₂) do oběhu atmosférou a biosférou.
Díky činnosti živých organismů je totiž dusík v biosféře zafixován do různých typů dusíkatých sloučenin. Na konci jejich metabolismu bývá do atmosféry vypuštěn v podobě několika jednoduchých dusíkatých sloučenin (dusičnanů, dusitanů, amoniaku). Tyto látky však nejsou pro další spotřebu příliš vstřícné a pro hladké fungování současné podoby biosféry je proto třeba jejich převedení do podoby molekulárního dusíku N₂.

Dva klíčové procesy

V globálním koloběhu dusíku jsou proto nesmírně důležité procesy, které vracejí dusík zpět do hry. Tím známějším je tzv. denitrifikace, kterou zvládá řada bakteriálních druhů z nejrůznějších bakteriálních kmenů. Tento proces, jehož jádrem je tvorba vazby mezi atomy dusíku redukcí dusičnanů (NO₃), byl objeven před téměř 100 lety a dnes je jeho průběh již velmi dobře zmapován.
Druhým z nich, jehož objev byl pro vědce na počátku 90. let velkým překvapením, je znám pod zkratkovým slovem anammox (Anaerobi Amonium OXidation, tedy doslova přeloženo „anaerobní oxidace amoniaku“.) Probíhá v nejrůznějších prostředích, kvantitativně nejvíce zastoupeny jsou však světové oceány. Vědci odhadují, že je zodpovědný až za 50 % dusíku v atmosféře.

Řada praktických využití

Tak obrovsky významný podíl na globálním trhu s velevýznamným prvkem je jistě dobrý důvod, proč anammox studovat do co největších detailů.
Motivace pro jeho studium však nepocházejí jen od ekologů, kteří se snaží monitorovat klíčové procesy v živém světě, ale i z mnohem praktičtější stánky. Anammox je totiž dlouhou dobu využíván jako jedna z cest, jak zbavit odpadní vody toxického amoniaku. Poznání detailů tohoto procesu by mohlo efektivitu čištění vod výrazně vylepšit.
Dalším, a možná neméně významným důvodem, bylo dlouhodobé podezření, že jedním z meziproduktů relativně složitého procesu, je i látka se vzorcem N₂H₄, známá pod triviálním názvem hydrazin (systematický název je diazan). Tato látka je sice vysoce toxická, nachází však řadu velmi vítaných průmyslových využití. Nejvýznamnějšího využití dochází jako palivo do raketových motorů. Má však i řadu dalších.

Velmi choulostivé bakterie

I když se o anammoxu často píše tak, jako kdyby šlo o jednoduchý samovolný proces, opak je pravdou. Je k němu zapotřebí velmi specifické prostředí, řada enzymů a prochází přes řadu velmi toxických meziproduktů. Navíc jej dokážou realizovat jen některé ve vodě žijící bakterie, které mají k tomuto účelu vyvinutou zvláštní strukturu, tzv. anammoxozom. Jednou z takových bakterií je druh Kuenenia stuttgartensis, který si holandští vědci vybrali za objekt svých výzkumů.
Práce s tímto organismem má však řadu úskalí. „Museli jsme do naší práce zapojit širokou škálu nových experimentálních metod,“ vysvětluje další ze členů týmu, profesor Mike Jetten z Radboudovy univerzity v nizozemském Nijmegenu.
„Tyto bakterie je například velmi těžké kultivovat, neboť se dělí pouze jednou za dva týdny. Nejprve jsme tedy byli nuceni vypracovat proces kultivace, který by byl pro tak pomalý proces růstu vhodný. I přes 20 let trvající pokusy dokážeme tyto bakterie kultivovat pouze v bioreaktorech a nikoliv v běžných kulturách. Výsledkem však byla více než 95% čistota vzorku,“ popisuje první úskalí jeho kolega profesor Marc Strous.

Raketové palivo v roli mezičlánku

Do pátrání po molekulární mašinérii anammoxu by se vědci ani nepouštěli, kdyby neměli v ruce podrobné znalosti genetického kódu své pokusné bakterie. S pomocí příslušných genových sekvencí byli schopni nalézt nejen příslušné enzymy, které se reakce účastní, ale i počáteční produkty.
„Molekulární dusík, který všichni dýcháme, byl stvořen z dvou jednoduchých sloučenin: raketového paliva hydrazinu a oxidu dusného,“ vysvětluje vedoucí celého projektu Marc Strous.
Hydrazin, který byl dávno v podezření, tedy vědci skutečně nalezli. Mike Jetten však mírní nadšení: „Množství hydrazinu, který touto metabolickou drahou vzniká, není nijak závratně vysoké. Rozhodně ho není tolik, aby dokázal vynést raketu na Měsíc. Počáteční zájem NASA o naše výzkumy tedy povadl.“ Podaří-li se však vědcům lépe popsat strukturu proteinové „továrny“ uvnitř anammoxozomů, zajímavé aplikace na sebe nemusejí nechat dlouho čekat.