Дайте Фелисе работу

Ядами называют вещества, которые взаимодействуют с биомолекулами и нарушают их функции. А питательные — это вещества, из которых строятся биомолекулы. Может ли яд быть строительным материалом? — такой вопрос задает онлайн-публикация в «Science» (2010, 2 декабря, DOI: 10.1126/science.1197258).

В озере Моно (США, штат Калифорния) не водится рыба: рН воды 10 плюс высокое содержание солей, в том числе арсенитов и арсенатов — концентрация мышьяка 200 мкМ. Грязь со дна озера Моно давно привлекает микробиологов: в ней живут бактерии, для которых этот едкий раствор — дом и пища. Биохимия этих созданий совершенно фантастична.

Для нас с вами мышьяк — смертельный яд, причем арсениты опаснее арсенатов (трехвалентный мышьяк хуже пятивалентного). Соли мышьяка охотно взаимодействуют с SH-группами белков и тем самым выводят из строя ферменты и мембранные каналы, отвечающие за транспорт. Уровнем выше они нарушают процессы окислительного фосфорилирования и продукцию АТФ (не только потому, что портят ферменты, но и потому, что конкурируют с фосфатом). Эффекты на уровне многоклеточного организма описаны в предыдущей статье. Однако бактерии озеро Моно как-то ухитряются выжить.

Фелиса Волф-Саймон

А декабрьская сенсация состоит в том, что группа ученых под руководством Фелисы Волф-Саймон (Геологическая служба США) сумела культивировать бактерию, для которой мышьяк — не яд, а необходимый компонент среды. По мнению авторов статьи, найденный ими штамм использует вместо фосфата PO₄^3– арсенат AsO₄^3– (действительно, они сходны по строению и химическим свойствам). Строит из него «скелет» нуклеиновых кислот, использует арсенатные аналоги АТФ, синтезирует мембранные арсенолипиды и т. д. В известном списке «углерод, водород, кислород, азот, сера, фосфор» последний элемент предлагается заменить на другой, да еще традиционно несовместимый с жизнью… Исследование было поддержано грантом NASA: изучение биотопов вроде озера Моно может изменить наши представления об «условиях, пригодных для жизни» во Вселенной.

Найденная бактерия—не новый вид, а штамм бактерий семейства Halomonadaceae. Штамм назвали GFAJ-1, сокращенно от Give Felisa A Job, «дайте Фелисе работу». Как в воду глядели: теперь у Фелисы будет мало свободного времени.

Ученые собрали грязь со дна озера и поместили ее в микробиологическую среду с щелочным рН, глюкозой как источником углерода, необходимыми солями, витаминами и микроэлементами — но без фосфат-иона (если не считать его примесей в других компонентах, что дало около 3 мкМ), зато с арсенатом. Отобрали колонию, которая росла ив этих условиях, хотя медленнее, чем на фосфатной среде. При пересевах (сначала в жидкой среде, затем на агаре) концентрация арсената постепенно увеличивалась, от 100 мкМ до целых 40 мМ. Бактерия продолжала расти. Более того, когда ей предложили арсенат с радиоактивным изотопом мышьяка, метка распределилась по клеточным фракциям, содержащим нуклеиновые кислоты, белки, липиды и низкомолекулярные метаболиты, примерно так, как в норме распределяется фосфат.

А масс-спектрометрия показала, что ДНК бактерий содержит мышьяк (это можно считать подтверждением, но не прямым доказательством «мышьякового скелета»). Были получены данные в пользу того, что этот мышьяк образует связи не только с кислородом, но и с углеродом. Однако метилирование соединений мышьяка в живой клетке — обычное явление.

В пресс-релизе NASA говорилось о «пересмотре фундаментальных знаний о жизни», а новостные ленты без стеснения сообщали: «Ученые нашли в озере внеземных бактерий». Понятно, что научное сообщество ответило резкой критикой.

Может ли мышьяковый аналог АТФ обеспечивать клетки энергией? Как с фосфорилированием белков — заменит ли его арсенилирование? Фосфаты образуют куда более слабые связи в водном растворе. Можно предположить, что бактерия как-то стабилизирует эти связи, но возможно и то, что бактерия живет на голодном фосфорном пайке, а мышьяк просто терпит. Джеральд Джойс, биохимик из Скриппсовского института, обратил внимание, что на фотографии «мышьяковых» бактерий хорошо видны вакуоли, очень похожие на те, в которых микроорганизмы аккумулируют вредные вещества. Стивен Беннер из Фонда прикладной молекулярной эволюции не без ехидства отметил, что арсенат заменит фосфат в бактериальной ДНК так же успешно, как колечко из оловянной фольги — звено стальной цепи. Роджер Саммонс из Массачусетского технологического института добавил, что ни одно мышьяксодержащее органическое вещество не было идентифицировано напрямую. Между тем сделать это несложно, например с помощью массспектрометрии.

Бактерии с «мышьяковой» ДНК зачем-то обзавелись крупными вакуолями

Микробиолог Розмари Редфилд из университета Британской Колумбии (Канада) разместила в своем блоге язвительный «разбор полетов», где перечислила слабые места работы Волф-Саймон и соавторов (http://rrresearch.fieldofscience.com/2010/12/arsenic-associated-bacteria-nasas.html). По ее мнению, после того, как NASA опозорилось с «марсианскими бактериями», любые их микробиологические изыскания подозрительны, а эта работа подтверждает худшие опасения. Почему авторы не пишут о том, сколько фосфата содержалось в образце озерной грязи? Его там в четыре больше, чем арсената, бактериям могло хватить. Графики роста бактерий и расчет минимального необходимого количества фосфора вызывают вопросы. И как можно было исследовать элементный состав ДНК, не извлеченной из агарозного геля?..

Фелиса Волф-Саймон заявила, что не собирается дискутировать в «сетевом» стиле, а будет отвечать только на замечания, высказанные в соответствии с правилами научной дискуссии. Немного странно после непринужденных заявлений для прессы, но тут она в своем праве. «Science» тем временем предоставил площадку, где любой желающий может задать вопрос по многострадальной статье (https://www.science.org/content/article/author-controversial-arsenic-paper-speaks). Дебаты продолжаются. Но даже строгие критики не отрицают, что мышьякоустойчивая бактерия достойна внимания ученых.