Жизнь на мышьяке

В этом году озеро Моно, что находится в Йосемитском национальном парке в штате Калифорния (США), подарило ученым бактерию, способную выжить в среде, которая, как было принято считать раньше, совершенно не приспособлена для обитания. Возможно, это существо одним лишь фактом своего существования опровергает одну из основных догм молекулярной биологии о том, что основные молекулы всех живых организмов состоят из одних и тех же химических элементов: кислорода, углерода, водорода, азота, фосфора и серы. Как утверждается, в состав молекул этой бактерии входит смертельно опасный для всех форм жизни мышьяк.

Хочется надеяться, что мы все помним, что мышьяк (As) является химическим элементом группы азота с атомным номером 33 в Периодической системе элементов Менделеева. В природе он, как правило, встречается как примесь в рудах цветных металлов. Два самых частых естественных соединения мышьяка — это оранжево-красный прозрачный реальгар (AsS) и лимонно-желтый аурипигмент (As2S3). Именно последним минералом и богато дно озера Моно, которое питается от ледников гор Сьерра-Невада, содержащих довольно значительные количества этого минерала. А поскольку это высокогорное озеро не имеет стока, вымываемый из породы мышьяк приносится водой с горных вершин и так в нем и остается.

О токсичности мышьяка известно давно, со времен Древней Греции. Симптомы отравления, которое возникает у всех высших животных, когда этот элемент случайно (или не случайно) попадает в их организм, однообразны: наблюдаются рвота, боли в животе, понос, угнетение центральной нервной системы и в конце концов остановка дыхания, приводящая к смерти. Однако почему этот элемент так опасен?

Биохимики предполагают, что все дело в том, что в таблице Менделеева мышьяк располагается прямо под фосфором. Поэтому по своим химическим свойствам они очень похожи, и многие ферменты в клетке не способны отличить, например, фосфат от арсената. При проникновении в клетку мышьяк может заменять своего соседа во многих молекулах, например в ферментах, отвечающих за процессы расщепления глюкозы. И после такой замены они все равно продолжают работать.

Казалось бы, ну и что в этом плохого? Ведь никакого нарушения процессов жизнедеятельности не произошло. Однако это не совсем так. Дело в том, что мышьяк не образует устойчивых соединений, поэтому все арсенатные биомолекулы быстро распадаются. Получается, что мышьяк, вытесняя фосфор из веществ, участвующих в жизненно важных для клетки процессах, не в состоянии его полноценно заменить. Видимо, поэтому в процессе эволюции и не смогли появиться жизненные формы, которые использовали бы арсенаты вместо фосфатов.

Однако недавно это утверждение было подвергнуто сомнению. Началось все с того, что астробиолог Фелиса Вольф-Саймон (Felisa Wolfe-Simon, Институт астробиологии NASA, Геологическая служба США) решила провести любопытный эксперимент. Она поместила пробу ила со дна озера Моно в пробирку со средой, состоявшей из стандартного набора солей, витаминов и микроэлементов. Одна особенность: в ней совсем не было соединений фосфора, зато вместо него присутствовал мышьяк в концентрации, соответствовавшей таковой в придонных отложениях.

В ходе эксперимента концентрацию арсенатов в течение трех месяцев постепенно увеличивали с 0,1 до 5 ммоль/литр, т.е. довели до уровня примерно в 25 раз выше того, что наблюдается в озере. При очередном повышении концентрации мышьяка в раствор переселяли часть бактерий из текущей среды и опять давали им размножиться. Это стандартный микробиологический прием для выделения бактерии с интересными свойствами из сообщества, содержащего много видов. Но фосфора при этом не давали.

Через три месяца содержимое очередной пробирки было перенесено на обычный агар. Оказалось, что из всех участников эксперимента выжить удалось только двум видам бактерий (возможно, что это был один вид, просто ученые наблюдали колонии двух типов). Выбрали ту колонию, где рост микроорганизмов шел быстрее. Оказалось, что ее образовала ранее не известная бактерия рода Halomonas. Ей присвоили имя GFAJ-1 и использовали в дальнейших экспериментах, суть которых состояла в том, чтобы выяснить, где именно в клетке локализуются арсенаты.

Это было сделано с помощью изотопной метки (ученые поместили эти необычные микроорганизмы в раствор, включавший в себя изотоп As-75). Авторы утверждают, что меченый атом присутствует во всех жизненно важных соединениях прокариота, таких, как молекулы ДНК, РНК, NADH, и ацетил-кофермент-A, причем именно там, где, согласно учебникам, должен быть фосфор. Самое поразительное заключается в том, что эти молекулы работали абсолютно нормально и вовсе не думали распадаться. Более тонкий анализ структуры ДНК подтвердил, что вместо фосфатов у GFAJ-1 в этом веществе действительно присутствует арсенат.

Как известно, молекулы нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) состоят из четырех типов азотистых органических соединений (нуклеотидов), которые, чередуясь, выстраиваются в длинную цепочку. Вся совокупность их сочетаний по три соответствующих определенной аминокислоте в составе кодируемого белка и образует то, что называют генетическим кодом. Нуклеотиды нанизаны на регулярный остов, состоящий из сахара рибозы (дезоксирибозы в ДНК) и фосфата, который играет ключевую роль в создании устойчивой структуры нитей ДНК. И вот у GFAJ-1 это самое важное звено может заменяться на менее устойчивый аналог!

Почему же молекулы, содержащие это «слабое звено», не распадаются в течение нескольких секунд? Предположительно, дело в том, что внутриклеточная среда GFAJ-1 богата поли-р-гидроксилбутиратом. Это вещество сильно замедляет гидролиз соединений мышьяка и делает устойчивыми арсенатные биомолекулы.

Что же, получается, что Вольф-Саймон и ее коллеги открыли новую форму существования жизни? Скорее всего, это не так, и вот почему. Последующие эксперименты показали, что если помещать GFAJ-1 в среду, богатую и фосфором, и мышьяком, она предпочтет использовать в своих молекулах фосфаты, а не арсенаты. Так что, по всей видимости, наблюденная способность является адаптацией к условиям существования, при которых фосфора нет вовсе, а мышьяк имеется в изобилии.

Впрочем, некоторые молекулярные биологи подвергли это жесткой критике, посчитав, что Вольф-Саймон и ее коллеги недостаточно тщательно проверили среду, в которой жили подопытные бактерии. По их мнению, скорее всего, она не была совсем уж лишенной фосфора, что и объясняло рост бактерий. Выжившие могли получать этот необходимый элемент в результате деградации погибших клеток, и его хватало для того, чтобы расти и размножаться. Оппоненты считают, что нужно было поставить серию контрольных экспериментов с выращиванием бактерий в растворе с различной концентрацией фосфатов и посмотреть, будет ли разница в скорости.

Вызывает сомнение еще и то, что при исследовании структуры ДНК GFAJ-1 не было проведено тщательной очистки геля от мышьяка. Например, молекулярный биолог Рози Редфилд (Rosie Redfield, университет Британской Колумбии, Канада) считает, что теми методами, которыми пользовалась Вольф-Саймон, сложно удалить посторонний мышьяк из смеси, взятой для анализа [1]. Поэтому нельзя утверждать, что мышьяк находился именно на месте фосфора в ДНК, — не исключено, что он просто был в той же фракции. Известно же, что арсенаты могут образовывать непрочные связи с ДНК, вовсе не заменяя в ней фосфаты.

Однако, если молодому биологу Фелисии Вольф-Саймон все же удастся доказать достоверность своих исследований, то данное открытие произведет очень глубокий эффект. Впрочем, сами исследователи подчеркивают, что их выводы, несмотря на публикацию результатов работы 3 декабря в Science [2], носят предварительный характер. А вот поспешное заявление пресс-службы NASA о том, что их сотрудники нашли инопланетную форму жизни было излишне самоуверенным и необоснованным. Оно породило в СМИ целую волну публикаций о том, что наконец-то биологи обнаружили пришельцев из космоса. Но какой же это пришелец, если его принадлежность к одной из систематических групп земных организмов установлена достаточно точно?

Однако и на пресс-конференции, прошедшей 2 декабря нынешнего года, почетный член Фонда прикладной молекулярной эволюции (США) Стивен Беннер (Steven Benner), комментируя результаты этого исследования, заметил, что «… повышенная и реакционная способность мышьяка, негативно влияющая на стабильность биологических молекул при комнатной температуре, может оказаться полезной в том случае, если биологическая молекула должна выполнять свои функции при низких температурах, таких, например, как на спутнике Сатурна Титане».

Неосмотрительно было делать подобное заявление, учитывая то, что «мышьякозависимость» данной бактерии еще всё-таки окончательно не доказана. Не выглядит ли это как попытка выдать желаемое за действительное? Впрочем, всё должны решить последующие эксперименты со странной бактерией GFAJ-1, которые, несомненно, будут проведены в ближайшее время. И в любом случае авторам удалось найти очень интересный и необычный организм.

1. http://rrresearch.blogspot.com/2010/12/arsenic-associated-bacteria-nasas.html

2. www.sciencemag.org/content/early/2010/12/01/science.1197258