[논문 리뷰] Bacterial survival in Martian conditions

G. Galletta, Giulio Bertoloni외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 02. 22.

Planetary Science and Exploration참고 문헌 18인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 LISA 및 mini-LISA라는 두 대의 실험실 챔버를 사용하여, 화성의 저기압, 낮은 온도, 자외선 방사선, 대기 조성과 유사한 조건에서 지구의 박테리아 내숙충의 생존 능력을 조사한다. 주요 발견은 자외선 방사선이 주요 치명적인 요인이며, 특히 *Bacillus pumilus*의 내숙충은 먼지 층에 의해 보호될 경우 화성 조건에서 최대 28시간 동안 생존할 수 있다는 것이다.

ABSTRACT

We shortly discuss the observable consequences of the two hypotheses about the origin of life on Earth and Mars: the Lithopanspermia (Mars to Earth or viceversa) and the origin from a unique progenitor, that for Earth is called LUCA (the LUCA hypothesis). To test the possibility that some lifeforms similar to the terrestrial ones may survive on Mars, we designed and built two simulators of Martian environments where to perform experiments with different bacterial strains: LISA and mini-LISA. Our LISA environmental chambers can reproduce the conditions of many Martian locations near the surface trough changes of temperature, pressure, UV fluence and atmospheric composition. Both simulators are open to collaboration with other laboratories interested in performing experiments on many kind of samples (biological, minerals, electronic) in situations similar to that of the red planet. Inside LISA we have studied the survival of several bacterial strains and endospores. We verified that the UV light is the major responsible of cell death. Neither the low temperature, nor the pressure, nor the desiccation or the atmospheric changes were effective in this sense. We found that some Bacillus strains have a particular capability to survive for some hours in Martian conditions without being screened by dust or other shields. We also simulated the coverage happening on a planet by dust transported by the winds, blowing on the samples a very small quantity of volcanic ash grains or red iron oxide particles. Samples covered by these dust grains have shown a high percentage of survival, indicating that under the surface dust, if life were to be present on Mars in the past, some bacteria colonies or cells could still be present.

연구 동기 및 목표

• 지구의 박테리아 균주 및 내숙충이 시뮬레이션된 화성 표면 조건에서 생존 가능성 평가
• 자외선 방사선, 저기압, 저온, 탈수, 대기 조성과 같은 주요 환경 스트레스 요인들이 미생물 생존에 미치는 영향 평가
• 먼지 코팅 또는 보호 메커니즘이 화성에서 장기적인 미생물 생존 가능성을 제공하는지 조사
• 화성 유사 환경에서의 천체생물학 연구를 위한 공동 실험 플랫폼(LISA 및 mini-LISA) 제공

제안 방법

• 화성 표면 조건을 재현하기 위해 온도(−80 °C에서 +23 °C), 압력(0.7 kPa), 자외선 조사량, 대기 조성(95% CO₂, 2% N₂, 1% Ar)을 포함하는 두 대의 환경 시뮬레이터인 LISA 및 mini-LISA를 구축하였다.
• 박테리아 혼합액(특히 *Bacillus* 균주의 생식세포 및 내숙충)을 멸균된 커버슬립에 탈수 처리한 후 강철 반응 셀에 밀봉하여 화성 조건에 노출시켰다.
• 노출 후 샘플을 재수화하고 고체 배지에 도말하여 집락 수를 세어 생존율을 정량화하였다.
• 실험에는 직접 자외선 노출와 함께 에트나 화산의 미세 화산재 및 적색 산화철 입자를 사용한 시뮬레이션된 먼지 보호막을 포함하였다.
• ‘여름’(+23 °C) 및 ‘겨울’(−80 °C) 온도 조건에서 시간 경과에 따른 생존을 측정하였다.
• 다양한 스트레스 조건에서 *Deinococcus radiodurans* 및 *Bacillus pumilus* SAFR032 등의 다양한 균주 간 생존율을 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지구의 박테리아 내숙충은 저기압, 저온, 탈수, 자외선 방사선 등 시뮬레이션된 화성 표면 조건에 장기간 노출되어도 생존할 수 있는가?
• RQ2 자외선 방사선, 저온, 압력, 탈수, 대기 조성 중 어떤 요인이 화성에서 미생물 비활성화의 주요 원인인가?
• RQ3 예를 들어 화산재나 산화철 입자로 구성된 얇은 먼지 층이 화성 유사 조건에서 자외선에 의한 사망으로부터 미생물 세포를 얼마나 효과적으로 보호하는가?
• RQ4 온도 변화(화성의 여름 및 겨울 조건)는 박테리아 내숙충의 생존 동역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 내숙충은 화성 조건에서 잠재적 상태를 유지한 채 생존 가능하며, 재수화 시 대사 활동을 재개할 수 있는가?

주요 결과

• 자외선 방사선이 세포 사멸의 주요 원인으로 확인되었으며, *Deinococcus radiodurans*의 생식세포는 5–8분의 노출 후 생존이 전혀 없었다.
• *Bacillus pumilus* SAFR032는 더 높은 저항성을 보였으며, 자외선 노출 10분 후에도 10%의 생존율 유지했지만, 몇 분 이상은 생존하지 못했다.
• *Bacillus pumilus* 및 *Bacillus nealsonii*의 내숙충은 초기 감소 후 안정된 생존율 유지했으며, ‘여름’ 조건에서 자외선 노출 시 최대 1.5시간까지 생존한 일부 균주가 있었다.
• ‘겨울’ 조건(−80 °C)에서 한 *Bacillus pumilus* 균주는 뛰어난 내성 보여, 자외선 보호 없이 최소 4시간 이상 생존했으며, 최대 28시간까지 생존한 바 있었다.
• 미세 화산재 또는 적색 산화철 입자를 사용한 먼지 코팅은 생존율을 크게 향상시켜, 화성에서 표면 아래 보호가 생존 가능한 세포를 유지하는 데 기여할 수 있음을 시사했다.
• 저온, 저기압, 탈수, 대기 조성만으로는 내숙충을 죽이지 못했으며, 자외선 방사선이 주요 비활성화 요인임을 확인했다.