Новости химической науки > К элементам жизни добавился мышьяк

Исследователи из США обнаружили микроорганизм, который при необходимости для обеспечения своего обмена веществ может усваивать мышьяк вместо фосфора. Результаты открытия могут оказаться полезными для более детального понимания того, как эволюционировала жизнь на Земле.

Как правило, мышьяк токсичен для всех живых организмов, так как он блокирует многие процессы обмена веществ, и поэтому, естественно, никогда не рассматривался в качестве элемента-органогена, к которым относятся элементы, входящие в состав живой ткани в наиболее значительных количествах – углерод, водород, азот, кислород, фосфор и серу.

К настоящему времени исследователям уже известны примеры организмов, в системе обмена веществ которых предусмотрены маршруты, способствующие переработки различных производных мышьяка, однако об организмах, использующих мышьяк для роста и размножения, ничего не было слышно, хотя химия производных мышьяка во многом похожа на химию производных фосфора. Фелисе Волф-Саймон (Felisa Wolfe-Simon) из Университета Аризоны удалось обнаружить микроорганизм, который может полностью заменить в своем организме фосфор на мышьяк, заменив в своей ДНК остатки ортофосфорной кислоты на остатки ортомышьяковой.

Бактерия GFAJ-1 может усваивать мышьяк и использовать его в процессе обмена веществ вместо фосфора. (Рисунок из Science, 2010, DOI: 10.1126/science.1197258)

Исследователи отобрали образцы из ядовитого и соленого озера Моно в Калифорнии. В этом образце содержались бактерии, получившие рабочее обозначение GFAJ-1, представители протеобактерий семейства Halomonadaceae. Бактерии выращивались в искусственном окружении, в основном моделировавшем состав воды в озере, однако в этом растворе производные фосфора были заменены на производные мышьяка. С помощью радиоактивных меток исследователям удалось отследить местонахождение мышьяка в организме бактерии, а масс-спектрометрия и рентгеновская флуоресцентная спектроскопия подтвердила, что мышьяк метаболизируется бактериями.

Волф-Саймон заявляет, что полученные данные позволяют предположить, что потребляемый бактерией мышьяк включается в состав ее ДНК. В модельном растворе мышьяк содержался в виде арсенат-ионов, которые структурно близки фосфат-ионам, а в молекуле ДНК остатки дезоксирибозы связаны между собой именно ортофосфатными «мостиками». Исследовательница добавляет, что обнаруженная исследователями «мышьяковая» ДНК является примером того, насколько далеко может завести исследователей обычное любопытство.

Милва Пепи (Milva Pepi), микробиолог из Университета Сиены (Италия) отмечает, что открытие ее коллег из Аризоны имеет огромное значение в рамках исследований, касающихся способностей клеточных организмов адаптироваться к экстремальным условиям. Изученные бактерии демонстрируют высокую адаптабельность к присутствию мышьяка. Это позволяет предположить существование у бактерий «скрытых способностей» приспосабливаться к условиям окружающей сред, и, возможно, колонизировать новые площадки для жизни, в том числе и поверхность новых планет.

Волф-Саймон уверена, что результаты ее открытия имеют большое значение, как для теории, так и для практики. Она подчеркивает, что помимо создания новых и интересных моделей, которые могут быть разработаны для процессов химической и биологической эволюции мышьяк-перерабатывающие GFAJ-1 должны помочь и в решении более утилитарной задачи – разработке методов обработки и очистки питьевой воды, загрязненной мышьяком. Последняя проблема особенно актуальна для развивающихся стран Африки и Азии.

В ближайших планах исследования Волф-Саймон определение генома бактерии GFAJ-1, а в дальнейших – попытка выяснить – а может еще какой-нибудь из элементов-органогенов может быть заменен на что-то такое же экзотическое, как мышьяк.

Барри Розен (Barry P. Rosen), специалист по метаболизму производных мышьяка из Международного Университета Флориды заявляет, что открытие Волф-Саймон восхитительно и советует исследователям из Аризоны выделить биологически активные молекулы, в которых инкорпорирован мышьяк и проверить их функциональность, обратив особое внимание на молекулы нуклеиновых кислот и основные метаболиты энергетического обмена, например, мышьяксодержащий аналог глюкозо-6-фосфата.

Источник: Science, 2010, DOI: 10.1126/science.1197258

метки статьи: #аналитическая химия, #биохимия, #молекулярная биология, #химическая эволюция