Авторы сенсационной статьи, подтверждающей, что возможна жизнь с ДНК на мышьяке вместо фосфора, поделились подробностями своей работы, чтобы отбиться от вала критики. И призвали коллег повторить их необычные результаты.

Бактерия GFAJ-1 История нашумевшей статьи в Science о бактерии, которая оказалась способна замещать фосфор на мышьяк в своей ДНК, получила продолжение. Первый автор статьи — Фелиса Вольф-Симон из Института астробиологии NASA (Felisa Wolfe-Simon, NASA Astrobiology Institute), а также Роналд Оремленд из Геологической службы США (Ronald S. Oremland, U.S. Geological Survey) публично ответили на критику. Редакция Science опубликовала ответы в интернете, подчеркнув, что они не могут считаться официальной публикацией, так как не прошли рецензирование. Официальные комментарии к статье и ответы исследователей будут опубликованы в журнале в следующем месяце.

Напомним, что ученые культивировали в лаборатории бактерию GFAJ-1 из калифорнийского озера Моно. Питательная среда не содержала фосфатов, но к ней добавляли все большее и большее количество соединений мышьяка – арсенатов. Бактерия успешно росла на такой среде. Анализ показал, что мышьяк содержится в клетках, и что он в форме арсенатов встроился в молекулу ДНК вместо фосфора. Результаты ученые получили в эксперименте с радиоактивной меткой, а также методом рентгеновской спектрометрии.

Критика, в основном, сводилась к тому, действительно ли бактерии могли расти при отсутствии фосфатов, и могли ли соединения мышьяка встраиваться в ДНК, поскольку они очень нестабильны. Ученые ответили на три вопроса методического характера и на один вопрос общего характера. Чтобы не загружать читателей техническими деталями эксперимента, перечислим вопросы и кратко остановимся на сути ответов.

1. Многие спрашивают, очищали ли ДНК с использованием гелевого электрофореза, чтобы избавить ее от всех иных молекул.

На это ученые отвечают, что все манипуляции с ДНК они проводили точно по протоколу с необходимой очисткой. Эксперимент с радиоактивно меченым арсенатом показал, что метка ассоциирована с ДНК/РНК фракцией. Спектрометрия продемонстрировала, что атом мышьяка химически связан с углеродом, а не находится в растворе в виде иона. Судя по длине химических связей, говорят ученые, мышьяк встроен в структуру ДНК в виде арсената, аналогично тому, как фосфор – в виде фосфата.

2. Другие уверены, что ДНК с мышьяком при помещении в воду должна была развалиться на куски. Что Вы можете ответить на это?

Ученые говорят, что низкомолекулярные соединения мышьяка менее стабильны, чем соответствующие соединения фосфора, и быстрее подвергаются гидролизу. Но есть данные, что с увеличением углеродной цепочки их устойчивость возрастает. Поэтому можно предположить, что связанные с биополимерами арсенаты будут более устойчивы к гидролизу. Тем более — в ДНК благодаря ее структуре двойной спирали.

3. Возможно ли, что в культуральной среде содержалось незначительное, но достаточное количество фосфора для жизни бактерий?

Исследователи отвечают, что максимальное остаточное содержание фосфора в среде составляло около 3 μM (микромоль). Они поставили контрольный эксперимент, который показал, что если не добавлять в среду арсенаты, бактерии не выживают при такой микроконцентрации фосфатов. Содержание фосфора внутри клеток при этом недостаточно для того, чтобы покрыть ее потребности.

4. Хотели ли бы Вы сказать еще что-нибудь о Вашем исследовании?

«Мы, группа ученых, собравшихся, чтобы пытаться исследовать действительно интересную проблему, — отвечает Фелиса Вольф-Симон. — Каждый из нас внес вклад в проведение экспериментов и в обсуждение результатов, чтобы объективно определить, с каким явлением мы столкнулись. Мы опубликовали свои результаты в статье и представили их для прессы. Одна из задач публикации состояла в том, чтобы представить данные научному сообществу для совместного поиска ответов на вопросы». Ученые считают, что попытка экспериментально проверить и повторить эти результаты – необходимый механизм для того, чтобы они стали частью научного знания. «Мы рассчитываем работать в сотрудничестве с другими учеными, либо непосредственно, либо предоставляя наши клетки и образцы ДНК для анализа», — добавила Фелиса Вольф-Симон.

Ранее в своем твиттере Фелиса Вольф-Симон высказала свое негативное отношение к PR-акции NASA, вызвавшей ажиотаж и ожидание открытия внеземной жизни: «Мы не можем контролировать пресс-релизы. Я участвовала в создании пресс-релизов, но участвовать — не значит контролировать. Я могу контролировать только свою научную деятельность. РR-машина – это РR-машина. А мы ученые».

«Как молодой ученый, я расцениваю это как опыт, который надо пережить… и обратно в лабораторию!» — говорит Фелиса Вольф-Симон.

Источник: Infox.ru

Сенсационная статья о бактерии, способной использовать мышьяк вместо фосфора для строительства своей ДНК, вызвала волну критики в мировом научном сообществе. Российские биологи также высказали Infox.ru мнение о работе коллег из NASA.

Напомним, что публикации статьи в Science предшествовала грандиозная PR-акция со стороны NASA, так что весь мир ждал, когда появятся данные о «внеземной» жизни.

Сомнения в эксперименте

Дискуссию начала в своем научном блоге Рози Редфилд (Rosie Redfield), профессор микробиологии Университета Британской Колумбии. «Много трюков, но очень мало достоверной информации», – пишет Редфилд. Они считает, что ученым NASA нужно было провести контрольный эксперимент с бактерией E.coli, что нужно было проверить, может ли содержащая мышьяк ДНК выполнять свои функции и работать с ДНК-полимеразой. «Либо авторы статьи — плохие ученые, либо они продвигают проект NASA по поиску внеземной жизни», — пишет Редфилд.

Научный журналист Карл Циммер (Carl Zimmer) опросил множество ученых по всему миру и опубликовал обзор критических замечаний. «Никто из специалистов, с которыми я беседовал, не исключает возможности того, что такая бактерия может существовать, — пишет Карл Циммер. – Но эксперимент ученых NASA построен так, что в нем могут быть получены неверные результаты». Так, когда ДНК извлекли из бактерии, ее нужно было тщательно отмыть ее от всех иных молекул. Если этого не сделать, мышьяк может просто налипнуть на ДНК, «как жевательная резинка на подошву».

Алекс Бредли (Alex Bradley), микробиолог из Гарварда, говорит, что ученые NASA продемонстрировали погрешности своего эксперимента. Когда они анализировали ДНК, то погружали ее в воду. Соединения мышьяка растворяются в воде, так что если бы мышьяк действительно встроился в состав ДНК, она развалилась бы на куски, написал Брэдли в своем научном блоге. По его мнению, если ДНК осталась в виде целой единицы, значит, она скреплена стойкими фосфатами.

Ученые NASA утверждают, что они полностью исключили фосфаты из среды. Но критики полагают, что следы фосфатов все-таки сохранились, и бактерия могла их использовать. Брэдли упоминает, например, микроорганизмы Саргассова моря, которые живут в воде, содержащей в 300 раз меньше фосфатов, чем обычная лабораторная культуральная среда.

«Я думаю, что ученые NASA были настолько заинтересованы в положительных результатах, что не обратились за советом к ведущим специалистам в области ДНК и микробиологии», — считает Джон Рот (John Roth) из Калифорнийского университета в Дэвисе (UC-Davis).

По мнению Карла Циммера, все это напоминает историю с другой сенсационной пресс-конференцией NASA в 1996 году. Тогда ученые обнаружили в метеоритах с Марса остатки нитевидных микроорганизмов, статья об этом открытии также была опубликована в Science. Однако большинство специалистов сомневается в микробном происхождении этих включений в метеорит.

Критический материал об открытии «мышьяковой жизни» опубликовала Nature. В обзоре говорится, что, по мнению многих ученых, бактерия могла использовать следовые количества фосфатов, чтобы защититься от токсичного действия мышьяка. Большинство специалистов считают, что утверждение NASA о новой форме жизни, открытой ими, высказано преждевременно. «Это интересная история про возможности адаптации, но это не новая форма жизни», — говорит Джеральд Джойс (Gerald Joyce), биохимик из Скриппсоновского исследовательского института (Scripps Research Institute) в Ла Джолла (Калифорния, США).

Стивен Беннер (Steven Benner), химик из Фонда прикладной молекулярной эволюции (Foundation for Applied Molecular Evolution) в Гейнсвилле (Флорида, США) сравнивает включение в ДНК нестабильного арсената с тем, что в стальную цепочку затесались оловянные звенья, гораздо менее прочные. Он, как и Бредли, сомневается, что ДНК могла бы удержаться как одно целое столь слабыми связями.

Некоторые исследователи обращают внимание на то, что авторы статьи описывают крупные вакуоли, содержащиеся в бактериях, но никак не объясняют это наблюдение. А ведь именно так клетка реагирует на токсичное вещество.

Позиция ученых NASA

Авторы статьи в Science отказываются вступать в дискуссию в формате блогов и форумов. «Все дискурсы должны быть изложены в такой же форме, как и наша статья, и пройти соответствующее модерирование», — говорит Фелиса Вольф-Симон (Felisa Wolfe-Simon), первый автор статьи. Роналд Ормлэнд (Ronald Oremland), ведущий автор статьи, занимает ту же позицию: «Если мы неправы, другие ученые должны попытаться повторить наш эксперимент. Если мы правы (а я убежден, что это так), наши соперники должны помочь объяснить этот феномен».

«Нежелание отвечать на критику, высказанную в любой иной форме, кроме как в виде научной публикации, это абсурд, — считает Джонатан Эйзен (Jonathan Eisen) из Калифорнийского университета в Дэвисе (UC-Davis). – Существуют пресс-релизы и пресс-конференции. Правы или нет ученые NASA, они должны ответить оппонентам в любой доступной форме».

Александр Галушко из Отделения экологии микроорганизмов Университета Вены (Department of Microbial Ecology, University of Vienna) предполагает, что научной дискуссии в этом споре не получится, потому что NASA нуждалось в появлении научной сенсации по финансовым причинам. Свое мнение он изложил в письме на адрес Infox.ru. В первом варианте государственного бюджета США на 2011 год NASA оказалось в числе «лузеров» Однако сразу после выхода сенсационной статьи бюджет NASA на следующий год cущественно увеличен.

Мнения российских специалистов

«Я не вижу оснований сомневаться в добросовестности проведения эксперимента, — сказал корреспонденту Infox.ru Петр Каменский, старший научный сотрудник кафедры молекулярной биологии биологического факультета МГУ. – Бактерии могли бы использовать следы фосфатов в течение очень ограниченного времени, а не всего эксперимента. Единственное, что не сделали ученые NASA, это не провели рентгенографический структурный анализ ДНК, который единственный дает четкую информацию о структуре молекулы. Вероятно, они не сделали этого из-за экономии времени, чтобы побыстрее опубликовать статью. Вместо этого они применили непрямые методы исследования ДНК и белков, которые оставляют место для разных интерпретаций. Я думаю, что они должны продолжить работу и провести рентгеноструктурное исследование, чтобы доказать, что мышьяк действительно встраивается в макромолекулы».

Другой эксперт, доцент биологического факультета МГУ Ольга Соколова в разговоре с корреспондентом Infox.ru отметила тот же недочет: «авторы статьи должны были использовать метод ренгеновской кристаллографии, чтобы прямо показать, что мышьяк присутствует в ДНК. В целом, от статьи остается ощущение какой-то недоделанности».

«В том, что мышьяк поступает в клетки и включается в метаболические пути, нет ничего сверхъестественного, — считает старший научный сотрудник Института биологии развития РАН Николай Мюге. – Это следует из сходства химических свойств мышьяка и фосфора. А будет ли ДНК с мышьяком стабильна или нет, можно легко проверить даже без бактерий. Для этого надо синтезировать искусственные нуклеотиды с мышьяком вместо фосфора и посмотреть, будут ли они работать при проведении полимеразной цепной реакции, и будет ли устойчива синтезированная ДНК. Важно еще посмотреть, как будет себя вести АТФ с мышьяком», — сказал Мюге в интервью Infox.ru.

В любом случае, работа ученых NASA приведет к значительным изменениям: либо в научной среде, либо в топ-менеджменте агентства. Поэтому мы будем следит за развитием ситуации вокруг открытия.

Источник: Infox.ru

NASA предъявило научному сообществу "астробиологическое открытие, которое повлияет на поиск свидетельств внеземной жизни". Учёные обнаружили и изучили микроорганизмы, которые в своём рационе полагаются на мышьяк и используют этот токсичный элемент для строительства клеток. Получается, если земная жизнь закусывает смертью, внеземная может выкинуть чего и похлеще?

Бактерия, обожающая мышьяк, перевернула привычные представления о "живности" (фото NASA, Jodi Switzer Blum) Все живые организмы нашей планеты строятся из шести "кирпичиков": углерода, водорода, азота, кислорода, фосфора и серы (CHNOPS). Фосфор внутри фосфат-иона (PO₄³-) входит в основу структур ДНК и РНК, определяет транспорт веществ через мембрану клетки, играет важную роль в обмене энергии.

Герои нынешнего исследования, стойкие бактерии, обитали в калифорнийском озере Моно (Mono Lake), известного своими ужасными условиями: высокой солёностью и щёлочностью, а также повышенным содержанием мышьяка (фото NASA) Биологи полагали, что CHNOPS – основа жизни во Вселенной. Однако некоторые учёные всё же задавались вопросом: почему на место "первой шестёрки" не могут встать другие химические элементы. Так, мышьяк (As), химически близкий к фосфору, мог бы выполнять его функции. Другое дело, что этот элемент для любой формы жизни является ядом.

Тем не менее AsO₄³- имеет ту же структуру, что и фосфат-ион, образует похожие связи. А значит, он теоретически может внедриться на чужое место.

Твёрже других эту позицию отстаивала геомикробиолог Фелиса Волф-Саймон (Felisa Wolfe-Simon) из NASA. "Мы знаем, что некоторые микробы дышат мышьяком", — заявила она ещё в 2006 году. В 2008-м учёные обнаружили червей, питающихся тяжёлыми металлами. В 2009-м гипотезу существования "жизни на мышьяке", выдвинутую Фелисой со товарищи, опубликовал International Journal of Astrobiology.

Дальнейшие выступления позволили "железной Лизе" собрать вокруг себя единомышленников, которые искали не просто толерантных к мышьяку существ, но тех, что могли извлечь из его использования биологическую выгоду. Так началось изучение самых странных уголков планеты, одним из которых было озеро Моно.

По-своему уникальное озеро стало таким из-за изоляции: пресная вода не поступала в него последние 50 лет. Зато водоём постоянно подпитывали мышьяком минералы, входящие в состав пород соседних гор. Внизу: Фелиса и доктор Рональд Ормленд (Ronald Oremland) из геологического центра США собирают коллекция грязи (фото Henry Bortman)Группа Фелисы собирала ил на берегах и дне водоёма, затем образцы помещались в искусственную среду, в которой преобладали арсенаты и почти отсутствовали фосфаты. Постепенно биологи довели концентрацию соединений фосфора до минимальной, однако даже в таких условиях одна группа бактерий из общей смеси продолжала процветать.

Микробы изолировали и поселили в раствор арсенат-ионов. Дальнейшие наблюдения показали, что в такой среде культура развивалась на 60% быстрее, чем в присутствии того самого жизненно необходимого фосфора. Когда же её лишили и мышьяковой подпитки, колония расти перестала.

Внизу слева бактерии, выращенные на фосфоре, справа – на мышьяке. Учёные отмечают, что в ближайшем будущем они хотят расшифровать геном GFAJ-1 и выяснить, как штамм ведёт себя в естественных условиях, когда его не вынуждают менять "диету" (фото Henry Bortman, Jodi Switzer Blum) Новый штамм назвали GFAJ-1. Учёные определили, что необычные микроорганизмы принадлежат семейству Halomonadaceae, относящемуся к гамма-протеобактериям (gammaproteobacteria), большая часть которых является патогенами.

Чтобы выяснить, как бактерии используют мышьяк, биологи "подсветили" раствор радиометками. Выяснилось, что "съеденный" элемент присутствует внутри органелл клеток, в нуклеотидах ДНК и РНК. При этом содержание арсенат-ионов было таким же, как и ожидаемое количество фосфат-ионов.

Эти данные натолкнули учёных на мысль, что токсичный элемент используется микробами так же, как и фосфор в работе клеточных механизмов. А раз на такое способен штамм GFAJ-1, то и другие микроорганизмы в ходе эволюции вполне могли перейти на подобный "корм". "Нынешнее открытие может стать окном в новый неизведанный мир", — считает Фелиса.

Другие учёные тем временем отмечают, что хорошо бы определить положение мышьяка в молекулах, выполняющих в клетке определённые функции. Например, надо выяснить, к чему приводит замена фосфора на мышьяк в молекуле АТФ. Страдает ли эффективность переноса энергии? Как влияет арсенат-ион на связи с белками и метаболические процессы? В общем, химики жаждут разобраться в деталях не меньше биологов.

Тем временем исследователи NASA твердят, что раз столь неожиданное для науки поведение существует на Земле, то космос может быть наводнён и более фантастическими существами.

Анализ, проведённый на синхротроне национальной лаборатории Стэнфорда (SLAC National Accelerator Laboratory), показал, что мышьяк содержится внутри клеток в форме арсената, а также, что эти ионы образуют связи с углеродом и кислородом подобно фосфату (фото Brad Plummer/SLAC). "Мы расширили понятие "жизнь". Чтобы найти её вне Солнечной системы, нам необходимо думать шире, разнообразнее", — говорит доктор Эдвард Вейлер (Edward Weiler), руководитель одной из научных программ NASA.

Формулировка "много шума из ничего" в данном случае была бы слишком пренебрежительной. Учёные действительно открыли невиданную ранее способность микроорганизмов (хотя их выводы ещё предстоит проверить). Однако и новой формой жизни GFAJ-1 можно назвать с большой натяжкой. Ведь микроорганизмов, обитающих в экстремальных условиях, биологам известно немало. К примеру, мы рассказывали о любителях глубины, невероятных высот, холода, подводного жара и даж е радиоактивных руд (фото Henry Bortman). Раньше мысли о том, что основой жизни может стать не только шестёрка CHNOPS, встречались разве что в фантастических книгах. Правда, частым "гостем" был вовсе не мышьяк, а кремний, который заменял углерод. Теперь же "альтернативная форма жизни" описана в Science.

Но эта история вовсе не о том, что в озере Моно нашли бактерии на мышьяке, — подытоживает Фелиса. – Наше открытие – это напоминание: формы жизни могут быть более непредсказуемы".

Источник: MEMBRANA

Первооткрыватели "внеземных" бактерий, использующих мышьяк вместо фосфора для строительства молекул ДНК, опровергли свои собственные выводы, попытавшись вырастить колонию таких микробов при полном отсутствии фосфора в питательной среде, говорится в двух статьях, опубликованных в журнале Science.

В 2010 году группа биологов под руководством Роузмари Редфилд (Rosemary Redfield) из университета Британской Колумбии в Ванкувере (Канада) изучала колонии микробов на дне калифорнийского озера Моно, воды которого отличается высоким содержанием щелочей и солей, в том числе высокой концентрацией солей мышьяка. Здесь ученые обнаружили уникальный микроорганизм GFAJ-1, клетки которого содержали высокую долю мышьяка (As) и крайне низкую - фосфора (P), одного из шести "элементов жизни". Исследователи заключили, что данная бактерия использует атомы мышьяка в качестве замены фосфора, что считалось немыслимым ранее.

Многие ученые крайне скептически отнеслись к открытию "мышьяковой жизни", что побудило ее первооткрывателей проверить первоначальные выводы. Редфилд и ее коллеги провели два новых эксперимента, тщательно изучив химический состав клеток GFAJ-1 и проследив за темпами роста бактерии в питательном растворе с высоким содержанием мышьяка и полным отсутствием фосфора.

Оказалось, что ДНК бактерий содержала лишь микроскопические следы мышьяка, и ни один из атомов As не был присоединен к молекуле ДНК при помощи прочной ковалентной связи. Это означает, что мышьяк не играл существенной роли в работе генетических механизмов клетки.

Кроме того, повышение концентрации мышьяка в питательной среде, где обитали клетки, никак не влияло на темпы размножения бацилл. С другой стороны, уменьшение доли фосфора в растворе крайне негативно сказывалось на здоровье колонии - рост постепенно приостанавливался и бактерии начинали медленно погибать.

Ученые изучили химический состав продуктов метаболизма бактерии. Это помогло им понять, что все молекулы белков, сахаров и других органических веществ с включениями в виде атомов мышьяка появились в ходе реакций, не связанных с обменом веществ в клетке бактерии.

Как отмечают ученые, данные новых опытов позволяют утверждать, что GFAJ-1 обладает крайне высокой устойчивостью к мышьяку, но при этом ее жизненные процессы ничем не отличаются от метаболизма нормальных бактерий. Таким образом, авторы гипотезы "мышьяковой жизни" были вынуждены опровергнуть свое сенсационное открытие двухлетней давности.

Фосфор в форме фосфатов (солей фосфорной кислоты) образует основу нитей молекул ДНК и РНК, а также входит в состав "топлива" для живых организмов - аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

Мышьяк находится точно под фосфором в таблице Менделеева и очень похож на него по своим физико-химическим свойствам. Именно это сходство обуславливает его токсичность - организм не может отличить мышьяк от фосфора и "пропускает" его в процессы обмена веществ.