Zwykle spotykam porosty w lesie, przeglądając ich koronkowe porosty na gałęziach przez szkło powiększające, na odsłoniętych skałach w Alpach, na starych nagrobkach lub na skalistym wybrzeżu. Ale ostatnio zobaczyłem je też w fiolce w inkubatorze – w postaci zielonkawej, mętnej zawiesiny. To nie jest naturalny porost, lecz tzw. syntetyczny porost: współkultura dwóch gatunków, grzyba (drożdża) i cyjanobakterii. Grzyb tworzy rusztowanie i schronienie, a fotosyntetyczny partner wytwarza cukry ze światła, wody i dwutlenku węgla i przekazuje je gospodarzowi. Taką hodowlę prowadzi Rodrigo Ledesma‑Amaro, dyrektor Bezos Center for Sustainable Protein na Imperial College w Londynie.
Dlaczego tworzyć syntetyczne porosty? Ponieważ drożdże łatwo się inżynieruje genetycznie i potrafią produkować szeroką gamę użytecznych związków — żywność, paliwa, chemikalia, materiały, leki. Jeśli napędzimy taką produkcję fotosyntezą, uzyskamy procesy bardziej zrównoważone energetycznie. W laboratorium Ledesma‑Amaro stosuje zmodyfikowane drożdże zaprogramowane do wytwarzania kariofilenu — związku przydatnego w przemyśle farmaceutycznym, kosmetycznym i paliwowym. W przyszłości jego zespół spodziewa się też uzyskiwać antybiotyki, biopaliwa czy syntetyczny olej palmowy. Inne koncepcje przewidują porosty zaprojektowane do wychwytywania i magazynowania dwutlenku węgla, a jeszcze inne — naprawianie starzejących się konstrukcji betonowych. Nawet agencje kosmiczne i firmy prywatne rozważają wykorzystanie zaprojektowanych, żyjących materiałów porostopodobnych do wzrostu na regolitu Księżyca czy Marsa w celu wytwarzania surowca budowlanego.
Co sprawia, że porosty są wyjątkowe
Porosty są klasycznym przykładem symbiozy — dosłownie „wspólnego życia” różnych organizmów. W najbardziej podstawowym ujęciu grzyb pełni funkcję gospodarza, a partnerem fotosyntetycznym (fotobiontem) jest zazwyczaj alga lub cyjanobakteria, która produkuje pokarm dla grzyba. Jednak naturalne porosty rzadko ograniczają się do dwóch gatunków: często występuje dodatkowy grzyb w postaci drożdży oraz inne bakterie, tworząc złożone mikrospołeczności. Badania wykazały, że świeża tkanka porostu może zawierać od 1 miliona do 100 milionów bakterii na gram. Dwa wyglądające identycznie porosty, rosnące obok siebie, mogą mieć zupełnie różny zestaw współmieszkańców.
Drugą ważną cechą porostów jest ich odporność. Mogą fotosyntetyzować i przeżyć w ekstremalnych warunkach: w Arktyce na Spitsbergenie stwierdzono około 700 gatunków porostów, które radzą sobie z niskimi temperaturami, suchością i silnym promieniowaniem UV. Na wybrzeżach wiele gatunków toleruje powtarzalne zanurzenia w słonej wodzie, a niektóre rosną wewnątrz skał (porosty endolitowe). Odporność tę przypisuje się m.in. unikatowym biomolekułom produkowanym przez grzyb, które chronią całą społeczność porostu, oraz rozdzielaniu zadań metabolicznych między partnerami — fotobionty wytwarzają pigmenty i związki fotosyntetyczne, grzyb syntetyzuje „filtry przeciwsłoneczne” takie jak karotenoidy i melaniny. Fizycznie grzyb stanowi też bufor przed wahaniami temperatury i wilgotności, a powolny wzrost pozwala przeżyć przy minimalnych zasobach.
Porosty w przestrzeni kosmicznej
Odporność porostów przyciągnęła uwagę NASA. Gatunek Circinaria gyrosa umieszczony na zewnętrznej półce Międzynarodowej Stacji Kosmicznej przeżył 18 miesięcy ekspozycji na warunki kosmiczne; po sprowadzeniu na pokład i podaniu wody rozpoczął ponowny wzrost. Takie wyniki podsycają zainteresowanie hipotezą lithopanspermii, że mikroby mogą przemieszczać się między planetami na skałach kosmicznych. Jednak życie na powierzchni Marsa napotyka dodatkowe przeszkody: brak pola magnetycznego i silne promieniowanie oznaczają, że organizmy wymagałyby osłony przed warunkami zewnętrznymi.
Congrui Jin z Texas A&M University, inżynierka zajmująca się żywymi materiałami, współpracuje przy projektach mających na celu wykorzystanie porostów do produkcji materiałów z regolitu Marsa. Koncepcja polega na zestawieniu grzyba z cyjanobakterią, które razem potrafią przekształcić światło i wodę w związki organiczne oraz wytrącać węglan wapnia — „klej” spajający cząstki gleby w spójną masę. Tak przygotowany biomateriał można następnie użyć w drukarce 3D do wytwarzania podłóg, przegród, ścian czy mebli. Większość niezbędnych surowców — światło, CO2, woda w ograniczonych ilościach, składniki odżywcze i skały bazaltowe — jest dostępna na Marsie, ale grzyby‑porosty trzeba chronić wewnątrz schronień.
Budownictwo i naprawa na Ziemi
Chociaż kolonizacja innych planet pozostaje odległa, technologie oparte na porostach mają praktyczne zastosowania na Ziemi. Jin i jej zespół wykazali, że współkultura grzyba i cyjanobakterii może rosnąć na powierzchni betonu i wytrącać węglan wapnia, w efekcie samoczynnie wypełniając pęknięcia. Takie podejście może przyczynić się do tworzenia samo‑naprawiającego się betonu, co zmniejszyłoby koszty utrzymania konstrukcji i ich ślad węglowy podczas produkcji materiałów budowlanych. W przeciwieństwie do prób opartych na pojedynczych gatunkach, syntetyczny porost nie wymaga stałego dostarczania substancji odżywczych: ekstrakcja azotu z powietrza i mechanizmy wewnętrznej „produkcji nawozu” sprawiają, że proces jest w dużym stopniu autonomiczny.
Arjun Khakhar z Colorado State University pracuje nad szybkorośną wersją porostu, dobierając i modyfikując szybko rosnące mikroby, by następnie łączyć je w struktury porostopodobne. W jego laboratorium powstał syntetyczny porost, w którym komponent grzybowy ulega mineralizacji: mycelium grzyba jest zasilane przez zatopione w nim cyjanobakterie i tworzy „egzoszkielet” z kamienia. Takie „mykomateriały” autorzy projektu widzą jako drogę do zrównoważonej bioprodukcji surowców budowlanych.
Porosty, choć z pozoru skromne i powoli rosnące, okazują się dynamicznymi miniaturowymi ekosystemami o wyjątkowych właściwościach. Ich zdolność do współpracy między różnymi biochemicznymi strategiami partnerów daje im zestaw funkcji niedostępny pojedynczym organizmom — od przetrwania w ekstremach po produkcję związków użytecznych dla człowieka. Gdy następnym razem mijasz porost na pniu drzewa, nagrobku czy ławce, warto zatrzymać się na moment i pomyśleć, jak wiele potencjału skrywa ten drobny organizm i jak może on wpłynąć na materiały i technologie przyszłości.