Hunter
E.T.: Új távlatokat nyithat egy baktérium
Helyesbítésre szorulhat a földi életről alkotott egyik alapvető feltevés. Tudósok olyan baktériumra bukkantak, ami a mérgező arzénen él. A felfedezés egy teljesen új utat nyithat meg a földi és más bolygók életformáinak kutatása előtt.
Az élet kémiáját alapvetően hat elem határozza meg, ezek közül a szén, a hidrogén, az oxigén és a nitrogén a leggyakoribbak, majd következik a foszfor és a kén. A legtöbb biológus szerint ezek, az úgynevezett elsődleges biogén elemek nélkül képtelen létezni az élet. Felisa Wolfe-Simon legutóbbi felfedezése, egy organizmus, ami foszfor helyett arzént hasznosít, sőt DNS-ébe is beépíti, bebizonyította, hogy az élet az egészen alapvetőnek hitt dolgokban is képes meglepetéseket okozni. Kutatásának részletei a Science magazin december 2-i számában jelentek meg.
A szóban forgó organizmus egy GFAJ-1 baktérium, amit Wolfe-Simon és munkatársai a kaliforniai Mono-tó partjának üledékéből tenyésztettek ki. A Mono rendkívüli sótartalommal rendelkezik, emellett erősen lúgos és a világ egyik legmagasabb természetes arzén koncentrációjával büszkélkedhet. Az élet fáján a pálcika alakú GFAJ-1 a sókedvelő Halomonas nemzetség baktériumai között helyezkedik el. A nemzetség tagjainak többségéről tudják, hogy képesek magas arzén szintek elviselésére is, azonban Wolfe-Simon felfedezése szerint a GFAJ-1 egy lépéssel társai előtt jár, foszfor híján képes arzént beépíteni a DNS-ébe, majd folytatni fejlődését, mintha misem történt volna. "Ez az első eset a biológia történetében, hogy olyan valamit találtunk, ami képes a többi elem egyikét is alkalmazni alapszerkezetében" - tette hozzá Paul Davies, a Science cikkének egyik szerzője, neves asztrobiológus. "A felfedezés megerősítheti az emberekben, hogy az élet jóval szélesebb körben létezhet, mint azt eddig hittük"
Közelkép az arzén hasznosító baktériumról
"Egy organizmus, ami képes az arzén alkalmazásával felépíteni sejtjeinek alkotóelemeit, azt jelezheti, hogy az élet képes kialakulni nagyobb mennyiségű foszfor nélkül is, ezáltal növelve az esélyt, hogy máshol is találhatunk életet" - fejezte ki egyetértését Michael New, a NASA asztrobiológusa. "Ez a felfedezés kibővíti az élet fejlődéséhez alkalmas körülményekről, az élet lehetséges eredetéről szerzett ismereteinket"
A DNS molekula, mint tudjuk egy spirális létrához hasonlít, A létra "fokait" nukleotid-párok alkotják, melyekből kiolvashatók az élet genetikai utasításai. A DNS létra széleit, amit gerincnek neveznek, cukor és foszfát molekulák hosszú láncai építik fel. Egy foszfát molekula öt atomból, egy foszforból és négy oxigénből áll. Foszfor nélkül nincs foszfát, foszfát nélkül nincs gerinc, gerinc nélkül nincs DNS, DNS híján pedig nincs élet, mondja a szakirodalom, amit a GFAJ-1 valószínűleg nem olvasott.
Amikor Wolfe-Simon elvonta a foszfort a GFAJ-1 sejtjeitől, annyi arzénnal árasztva el azokat, ami a legtöbb organizmus számára biztos pusztulást jelent, a baktérium tovább folytatta fejlődését és osztódását. A kutatók több generációt tenyésztettek ki a baktériumból. A baktériumok begyűjtésük után egy évvel is zavartalanul úszkálnak a kémcsövekben, úgy, hogy azóta egyáltalán nem kaptak foszfort, bár fejlődési közegükben lehetnek szennyeződések, amik egészen parányi mennyiségben tartalmazzák az elemet, azok azonban nem lennének elegendők a sejtek fejlődésének és osztódásának fenntartásához.
Az arzén kémiáját tekintve hasonlít a foszforhoz, reakciókészsége viszont jóval nagyobb, olyannyira, hogy szétszakítja az élethez nélkülözhetetlen molekulákat, például a DNS-t. A GFAJ-1 azonban úgy tűnik megtanulta kezelni ezt a problémát. Kontrollcsoportként kitenyésztettek egy második GFAJ-1 sejtcsoportot, amit arzén helyett foszforral tápláltak. Ezek is fejlődtek és szaporodtak, ami azt jelzi, hogy a baktériumok ide-oda tudnak kapcsolgatni, attól függően, mennyi foszfor áll rendelkezésükre. "Fogalmam sincs, hogy teszik azt, amit tesznek" - mondta Wolfe-Simon.
Miután Wolfe-Simon felfedezte ezt a képességet, részletesebben kezdett foglalkozni a sejtekben zajló folyamatokkal, hiszen nem kizárt, hogy egy olyan mikrobát találtak, ami ahelyett, hogy beilleszti az arzént biológia szerkezeteibe, csupán példátlanul jól gazdálkodik egy erősen korlátozott foszfor mennyiséggel. A válasz megtalálásához Wolfe-Simon és munkatársai több különböző kísérleti technikát használtak. A tömegspektrométeres módszerekkel nyert adatok, amik a GFAJ-1 sejtjein belüli különböző kémiai elemek eloszlását mutatják, egyértelmű különbséget fedtek fel az arzénben és a foszforban szaporodó sejtek között. Az arzénnal táplált sejtek feltöltődtek az anyaggal, azonban tartalmaztak némi foszfort is, míg a foszforban fejlődő sejtekre ennek pontosan az ellentéte bizonyult igaznak. Radioaktív arzén bejuttatásával a mikrobák fejlődési közegében azt is megtudták, hogy a baktériumok által elnyelt arzén közel egytizede a nukleinsavaikba kerül.
Az arzén DNS-be történő beépülésének megerősítése érdekében egy általánosan elfogadott molekuláris biológiai technikát alkalmaztak, amivel izolálták és koncentrálták a GFAJ-1 sejtek DNS-ét. A technika azért értékes, mert kizárja a szennyeződés lehetőségét. A koncentrált DNS-ek NanoSIMS mérései bebizonyították, hogy az arzén valóban jelen van a DNS-ben. További bizonyítékokkal szolgált a µEXAFS technika, ami a molekulák szerkezetéről ad képet belső kémiai kötéseik reakciói alapján. A foszfortól elvont GFAJ-1 sejtekből kinyert DNS-ek azt mutatták, hogy az arzén ugyanúgy kötődött az oxigénhez és a szénhez, ahogy a foszfor kötődik ehhez a két elemhez egy normális DNS-ben, más szavakkal minden kísérlet ugyanazt a következtetést szülte, a GFAJ-1 képes arzénnal helyettesíteni DNS-e foszforját.
Ennek ellenére Steven Benner, a Gainesville-i Alkalmazott Molekuláris Evolúció Alapítvány részéről kétségeinek adott hangot. "Ha az összes foszfátot arzénre cseréljük a DNS gerincében, a lánc minden kötése percekben mérhető felezési idővel hidrolizál (vízzel reakcióba lépve elbomlik)" - taglalta. "Vagyis, ha a DNS-nek egy arzénsav megfelelője van ebben a lényben, akkor annak komolyan stabilizálódnia kell, valamilyen eddig nem ismert mechanizmus által". Benner elképzelése szerint a Wolf-Simon által használt növekedési közeg szennyeződései elég foszfort biztosíthatnak a sejtek DNS szükségletéhez.
A GFAJ-1 szokatlan képessége számos új utat nyithat meg a jövőbeli kutatások előtt. Az egyik legkézenfekvőbb megvizsgálni, vajon más organizmusok is képesek-e hasonló biokémiai trükkökre. "Nagyon kicsi a valószínűsége annak, hogy Wolfe-Simon első próbálkozásra megtalálja az egyetlen arzénalapú életformát a Földön, vagyis ez csak a jéghegy csúcsa lehet" - mondta Davies. Ezt Wolfe-Simon is alátámasztja, elmondása szerint 14 más molekulát is foszformentes diétára fogott, melyek mind a Mono-tóból származnak. Ezek lehetnek a már azonosított organizmusok képviselői, de nem kizárt, hogy teljesen újak. "Semmi mást nem tudok róluk, azon kívül, hogy hasonló körülmények között fejlődnek" - mondta Wolfe-Simon, aki több Halomonas organizmusként, a GFAJ-1 genetikailag közeli rokonaiként azonosított kultúrát is rendelt, melyekről tudják, hogy arzén-tűrők, ezeket is aláveti kísérleteinek.
Felisa Wolfe-Simon mintavétel közben a Mono-tónál
A kutatónő azt is szeretné megtudni, vajon a GFAJ-1 természetes állapotában is aktívan kihasználja-e arzén beépítő képességét. "Kíváncsiak vagyunk, hogy ez egy olyan biológia, ami a környezetben is végbemegy, vagy valami egészen bizarr dolog, ami csak laboratóriumban működik"
És végül a kutatás kapcsán felvetődik a kérdés, vajon a többi elsődleges biogén elem is cserélhető-e, legyen az akár a szén, ami teljesen új alapokra helyezné az idegen élet utáni kutatásokat.
Az élet kémiáját alapvetően hat elem határozza meg, ezek közül a szén, a hidrogén, az oxigén és a nitrogén a leggyakoribbak, majd következik a foszfor és a kén. A legtöbb biológus szerint ezek, az úgynevezett elsődleges biogén elemek nélkül képtelen létezni az élet. Felisa Wolfe-Simon legutóbbi felfedezése, egy organizmus, ami foszfor helyett arzént hasznosít, sőt DNS-ébe is beépíti, bebizonyította, hogy az élet az egészen alapvetőnek hitt dolgokban is képes meglepetéseket okozni. Kutatásának részletei a Science magazin december 2-i számában jelentek meg.
A szóban forgó organizmus egy GFAJ-1 baktérium, amit Wolfe-Simon és munkatársai a kaliforniai Mono-tó partjának üledékéből tenyésztettek ki. A Mono rendkívüli sótartalommal rendelkezik, emellett erősen lúgos és a világ egyik legmagasabb természetes arzén koncentrációjával büszkélkedhet. Az élet fáján a pálcika alakú GFAJ-1 a sókedvelő Halomonas nemzetség baktériumai között helyezkedik el. A nemzetség tagjainak többségéről tudják, hogy képesek magas arzén szintek elviselésére is, azonban Wolfe-Simon felfedezése szerint a GFAJ-1 egy lépéssel társai előtt jár, foszfor híján képes arzént beépíteni a DNS-ébe, majd folytatni fejlődését, mintha misem történt volna. "Ez az első eset a biológia történetében, hogy olyan valamit találtunk, ami képes a többi elem egyikét is alkalmazni alapszerkezetében" - tette hozzá Paul Davies, a Science cikkének egyik szerzője, neves asztrobiológus. "A felfedezés megerősítheti az emberekben, hogy az élet jóval szélesebb körben létezhet, mint azt eddig hittük"
Közelkép az arzén hasznosító baktériumról
"Egy organizmus, ami képes az arzén alkalmazásával felépíteni sejtjeinek alkotóelemeit, azt jelezheti, hogy az élet képes kialakulni nagyobb mennyiségű foszfor nélkül is, ezáltal növelve az esélyt, hogy máshol is találhatunk életet" - fejezte ki egyetértését Michael New, a NASA asztrobiológusa. "Ez a felfedezés kibővíti az élet fejlődéséhez alkalmas körülményekről, az élet lehetséges eredetéről szerzett ismereteinket"
A DNS molekula, mint tudjuk egy spirális létrához hasonlít, A létra "fokait" nukleotid-párok alkotják, melyekből kiolvashatók az élet genetikai utasításai. A DNS létra széleit, amit gerincnek neveznek, cukor és foszfát molekulák hosszú láncai építik fel. Egy foszfát molekula öt atomból, egy foszforból és négy oxigénből áll. Foszfor nélkül nincs foszfát, foszfát nélkül nincs gerinc, gerinc nélkül nincs DNS, DNS híján pedig nincs élet, mondja a szakirodalom, amit a GFAJ-1 valószínűleg nem olvasott.
Amikor Wolfe-Simon elvonta a foszfort a GFAJ-1 sejtjeitől, annyi arzénnal árasztva el azokat, ami a legtöbb organizmus számára biztos pusztulást jelent, a baktérium tovább folytatta fejlődését és osztódását. A kutatók több generációt tenyésztettek ki a baktériumból. A baktériumok begyűjtésük után egy évvel is zavartalanul úszkálnak a kémcsövekben, úgy, hogy azóta egyáltalán nem kaptak foszfort, bár fejlődési közegükben lehetnek szennyeződések, amik egészen parányi mennyiségben tartalmazzák az elemet, azok azonban nem lennének elegendők a sejtek fejlődésének és osztódásának fenntartásához.
Az arzén kémiáját tekintve hasonlít a foszforhoz, reakciókészsége viszont jóval nagyobb, olyannyira, hogy szétszakítja az élethez nélkülözhetetlen molekulákat, például a DNS-t. A GFAJ-1 azonban úgy tűnik megtanulta kezelni ezt a problémát. Kontrollcsoportként kitenyésztettek egy második GFAJ-1 sejtcsoportot, amit arzén helyett foszforral tápláltak. Ezek is fejlődtek és szaporodtak, ami azt jelzi, hogy a baktériumok ide-oda tudnak kapcsolgatni, attól függően, mennyi foszfor áll rendelkezésükre. "Fogalmam sincs, hogy teszik azt, amit tesznek" - mondta Wolfe-Simon.
Miután Wolfe-Simon felfedezte ezt a képességet, részletesebben kezdett foglalkozni a sejtekben zajló folyamatokkal, hiszen nem kizárt, hogy egy olyan mikrobát találtak, ami ahelyett, hogy beilleszti az arzént biológia szerkezeteibe, csupán példátlanul jól gazdálkodik egy erősen korlátozott foszfor mennyiséggel. A válasz megtalálásához Wolfe-Simon és munkatársai több különböző kísérleti technikát használtak. A tömegspektrométeres módszerekkel nyert adatok, amik a GFAJ-1 sejtjein belüli különböző kémiai elemek eloszlását mutatják, egyértelmű különbséget fedtek fel az arzénben és a foszforban szaporodó sejtek között. Az arzénnal táplált sejtek feltöltődtek az anyaggal, azonban tartalmaztak némi foszfort is, míg a foszforban fejlődő sejtekre ennek pontosan az ellentéte bizonyult igaznak. Radioaktív arzén bejuttatásával a mikrobák fejlődési közegében azt is megtudták, hogy a baktériumok által elnyelt arzén közel egytizede a nukleinsavaikba kerül.Az arzén DNS-be történő beépülésének megerősítése érdekében egy általánosan elfogadott molekuláris biológiai technikát alkalmaztak, amivel izolálták és koncentrálták a GFAJ-1 sejtek DNS-ét. A technika azért értékes, mert kizárja a szennyeződés lehetőségét. A koncentrált DNS-ek NanoSIMS mérései bebizonyították, hogy az arzén valóban jelen van a DNS-ben. További bizonyítékokkal szolgált a µEXAFS technika, ami a molekulák szerkezetéről ad képet belső kémiai kötéseik reakciói alapján. A foszfortól elvont GFAJ-1 sejtekből kinyert DNS-ek azt mutatták, hogy az arzén ugyanúgy kötődött az oxigénhez és a szénhez, ahogy a foszfor kötődik ehhez a két elemhez egy normális DNS-ben, más szavakkal minden kísérlet ugyanazt a következtetést szülte, a GFAJ-1 képes arzénnal helyettesíteni DNS-e foszforját.
Ennek ellenére Steven Benner, a Gainesville-i Alkalmazott Molekuláris Evolúció Alapítvány részéről kétségeinek adott hangot. "Ha az összes foszfátot arzénre cseréljük a DNS gerincében, a lánc minden kötése percekben mérhető felezési idővel hidrolizál (vízzel reakcióba lépve elbomlik)" - taglalta. "Vagyis, ha a DNS-nek egy arzénsav megfelelője van ebben a lényben, akkor annak komolyan stabilizálódnia kell, valamilyen eddig nem ismert mechanizmus által". Benner elképzelése szerint a Wolf-Simon által használt növekedési közeg szennyeződései elég foszfort biztosíthatnak a sejtek DNS szükségletéhez.
A GFAJ-1 szokatlan képessége számos új utat nyithat meg a jövőbeli kutatások előtt. Az egyik legkézenfekvőbb megvizsgálni, vajon más organizmusok is képesek-e hasonló biokémiai trükkökre. "Nagyon kicsi a valószínűsége annak, hogy Wolfe-Simon első próbálkozásra megtalálja az egyetlen arzénalapú életformát a Földön, vagyis ez csak a jéghegy csúcsa lehet" - mondta Davies. Ezt Wolfe-Simon is alátámasztja, elmondása szerint 14 más molekulát is foszformentes diétára fogott, melyek mind a Mono-tóból származnak. Ezek lehetnek a már azonosított organizmusok képviselői, de nem kizárt, hogy teljesen újak. "Semmi mást nem tudok róluk, azon kívül, hogy hasonló körülmények között fejlődnek" - mondta Wolfe-Simon, aki több Halomonas organizmusként, a GFAJ-1 genetikailag közeli rokonaiként azonosított kultúrát is rendelt, melyekről tudják, hogy arzén-tűrők, ezeket is aláveti kísérleteinek.
Felisa Wolfe-Simon mintavétel közben a Mono-tónál
A kutatónő azt is szeretné megtudni, vajon a GFAJ-1 természetes állapotában is aktívan kihasználja-e arzén beépítő képességét. "Kíváncsiak vagyunk, hogy ez egy olyan biológia, ami a környezetben is végbemegy, vagy valami egészen bizarr dolog, ami csak laboratóriumban működik"
És végül a kutatás kapcsán felvetődik a kérdés, vajon a többi elsődleges biogén elem is cserélhető-e, legyen az akár a szén, ami teljesen új alapokra helyezné az idegen élet utáni kutatásokat.