Balon NASA pękł, czyli dwa słowa o „nowym” życiu

Tytan sfotografowany przez sondę Voyager 2 (fałszywe kolory; dom. publ.)

Oczekiwałem nie wiadomo czego: życia pozaziemskiego, planet Ziemiopodobnych, ciekłej wody na Tytanie lub innym z księżyców Jowisza. Nie oczekiwałem: humbugu niemal porównywalnego z tym, który miał miejsce przy okazji Idy (chociaż przyznaję, że NASA jednak nie zorganizowała aż takiego cyrku, jaki miał miejsce półtora roku temu). Zwłaszcza że odkrycie – chociaż interesujące i z pewnością do pewnego stopnia zaskakujące, nie jest niebywałe.

O co się więc rozchodzi? Po tygodniu niepotrzebnego medialnego buzzu, wywołanego ogłoszeniem o czwartkowej konferencji, która miała zmienić nasz sposób myślenia o astrobiologii, NASA z wielką pompą ogłosiła wczoraj, że badacze z nią związani odkryli nowy gatunek bakterii, która żyje na arsenie i w ogóle jest zupełnie nową formą życia. Ćmoje boje. Pomyślałby człowiek, że odkryli nową Amerykę. Ale nie.

Życie jakie znamy opiera się na sześciu pierwiastkach: węglu, wodorze, tlenie, azocie, siarce i fosforze. Jest to sześć elementów, które są niezbędne, ponieważ stanowią budulec wszystkich związków tworzących życie: kwasów nukleinowych, białek, tłuszczów, cząsteczek sygnalizacyjnych i tak dalej, i tym podobne. Oczywiście wiadomo, że wiele innyc pierwiastków jest do życia potrzebnych. Jednak nie niezbędnych, co widać na przykładach zastępowania jednych pierwiastków innymi. Dla przykładu, wiele enzymów wykorzystuje różne jony metali jako kofaktory, wiele metali stanowi część białek odpowiedzialnych też za transport elektronów. Jednak pomiędzy organizmami wyższymi, a na przykład bakteriami często możemy na tym etapie znaleźć pewne różnice – jedne metale zastępowano są przez inne o bardzo podobnych właściwościach. Często podobne, żeby nie powiedzieć te same, funkcje pełnią żelazo i miedź. Molibden bywa zastępowany wolframem, cynk – kadmem. Jednak do tej pory nie zaobserwowano w przyrodzie zjawiska zastępowania jednego z tych sześciu podstawowych pierwiastków innym (najbliżej są chyba książki z gatunku science-fiction hipotetyzujące na temat życia opartego na krzemie zamiast węgla). Bez tych pierwiastków po prostu nie ma życia (a przynajmniej nie wiemy o żadnym życiu tego typu). Stąd też nazywa się je biogennymi.

Gdyby jednak mogło dojść do takiej podmiany, co by to było? Krzem za węgiel, to już powiedziałem. Selen za siarkę? To akurat też zachodzi, ale w przypadku siarki „funkcjonalnej” – czyli takiej, która jest np. kofaktorem enzymów. Nie w przypadku siarki budulcowej jednak. Naturalnym zastępcą fosforu zaś wydaje się być arsen – znajduje się w tej samej grupie układu okresowego, ma niemal identyczny promień atomowy, bardzo podobną elektroujemność. Z drugiej jednak strony większość z nas kojarzyć go będzie głównie z powieściami Agaty Christie – jako wielkiego truciciela.

Ale właśnie te trujące właściwości arsenu wynikają z niesamowitego podobieństwa do fosforu: łatwo bowiem zastępuje on fosfor na wczesnych etapach szlaku metabolicznego. Jednak związki arsenu są znacznie bardziej podatne na hydrolizę niż związki fosforu i przez to szlak metaboliczny z takimi „fałszywymi” substancjami ulega załamaniu. Pytanie, które – pośrednio – zadali sobie badacze z NASA brzmi, co by było, gdyby powstała forma życia, która potrafi sobie poradzić z tą nietrwałością związków zawierających arsen zamiast fosforu? „Co by było gdyby” jest zaś tym niesamowitym typem pytania, na które – jeśli znajdzie się sposób, żeby na nie odpowiedzieć – odpowiedź będzie zapewne poruszać serca tłumów.

Historia szczepu GFA-J1 bakterii z rodziny Halomonadaceae zaczęła się kilka lat temu w amerykańskim Parku Narodowym Yosemite. Ale nie od GFAJ-1. W 2008 roku grupa Rona Oremlanda (jednego z głównych autorów wczoraj ogłoszonego odkrycia) opisała w magazynie Science przypadek bakterii z jeziora Mono Lake, u których arsenian(III) zasilał anaerobową fotosyntezę. Mono Lake jest w ogóle dość szczególną lokalizacją. Ponieważ z jeziora nie ma żadnego odpływu wody, wszystko, co do niego wpada, na wiecznośc w nim zostaje. Stąd też bierze się niezwykle wysokie zasolenie tego akwenu – znacznie większe niż na przykład zasolenie oceanów. A także duża zawartość właśnie związków arsenu. Jednak w przypadku tej pierwszej pracy, arsenian był jedynie donorem elektronów – arsen nie był w żaden sposób wbudowywany w bakterie. Mimo wszystko pokazuje to, jak arsen może być wykorzystany w innych procesach biochemicznych i jest też kolejną cegiełką do wykazania, że możliwe jest życie oparte nie tylko na naszych sześciu pierwiastkach biogennych.

Mono Lake/ wiki; Mila Zinkova (CC BY-SA 2.5) ©2007

Badacze zadali więc pytanie: czy w tych ekstremalnych warunkach panujących w Mono Lake mogło powstać życie wykorzystujące właśnie duże ilości arsenu? Albo przynajmniej będące bardzo na ten arsen odporne? Pobrali zatem próbki osadów i namnożyli obecne w nim bakterie w medium nie zawierającym fosforanów, za to zawierającym niewielkie ilości arsenianu. Najlepiej rosnące kolonie przenieśli do medium o nieco większej zawartości arsenianów i powtórzyli zabieg. Całość powtórzyli kilkakrotnie, stale zwiększając zawartość arsenianu w medium. Otrzymany pod koniec tego doświadczenia szczep to właśnie GFAJ-1.

Autorzy wykonali też kolejny zmyślny eksperyment – część arsenianiu podawanego bakteriom była znakowana cięższym izotopem arsenu 73. Dzięki temu mogli później sprawdzić, gdzie dokładnie w bakterii został ten związek przyswojony – to pomogłoby odpowiedzieć na pytanie, czy na przykład był on wbudowywany do białek, czy może raczej do ATP (w tym przypadku już ATAs?), czy też jeszcze gdzieś indziej. Odpowiedź na to pytanie była dość jednoznaczna – arsen w bakterii jest obecny wszędzie. Największym zaś chyba zaskoczeniem dla badaczy było odkrycie, że zastępuje on fosfor w kwasach nukleinowych – najdelikatniejszej chyba strukturze niezbędnej do życia.

Pytanie: jak to się dzieje, że te teoretycznie niestabilne związki arsenu są w stanie przetrwać w bakteriach wystarczająco długo, aby umożliwić ich wzrost i rozmnażanie? Autorzy zaobserwowali, że w komórkach bakterii GFAJ-1 występują wakuolo-podobne regiony bogate w kwas beta-hydroksymasłowy. Ich zdaniem tworzy to środowisko wewnątrzkomórkowe ubogie w wodę, dzięki czemu stabilizowane są wiązania As-O-C (bo oczywiście bez wody nie będą one hydrolizować).

Hip hip hurra, i hej i ho i wszyscy święci. Niebywałe. Bo i jest to odkrycie dość niezwykłe i nieoczekiwane. Ale życie pozaziemskie to to jeszcze nie jest.

Kilka uwag wartych podkreślenia: opisywane bakterie odkryto, niespodziewajka, na Ziemi. Odkryto jest także w środowisku, które nie było całkowicie pozbawione fosforu. Sposób prowadzenia doświadczenia sugeruje, że na bakterie pobrane z Mono Lake działać mogła dość silna selekcja – trudno nawet powiedzieć, czy gdzieś tam jakoś nie przemutowały już w trakcie tego eksperymentu (chociaż te kilka pokoleń, to chyba jednak za mało; ale nie wiem, ja się na mikrobiologii nie znam). Dodatkowo – wbrew temu, co możecie przeczytać we wszystkich serwisach newsowych – finalne medium, w których namnażano bakterie GFA-J1 zawierało śladowe ilości fosforu. Autorzy winą za to obarczają czystość odczynników. To, skąd ten fosfor pochodzi, jest moim zdaniem nieistotne. Istotne jest to, że nie wykazano, że ta śladowa ilość fosforu jest bez znaczenia. Bo może właśnie jest. Możliwe, że te bakterie radzą sobie podstawiając fosfor arsenem tylko dlatego, że ciągle obecna jest jakaś ta minimalna ilość tego pierwszego, umożliwiająca ich funkcjonowanie. Ponadto autorzy pokazali też, że GFAJ-1 rozwija się i rośnie znacznie lepiej w medium zawierającym fosfor niż w tym z arsenem. Co oznacza, że co prawda bakterie te mogą zastępować fosfor arsenem, ale mając wybór – wciąż wolą fosfor (stosując nomenklaturę mikrobiologiczną powiedzilibyśmy pewnie, że nie są one obligatoryjnie arsenowe; lub coś w ten deseń). Sami autorzy zresztą też na koniec podkreślają, że mechanizm wbudowywania arsenu w struktury komórkowe jest niejasny, a mechanizm działania tych „pseudo-fosforowych” związków – nieznany.

Żeby nie było, że się czepiam i krytykuję: uważam, że to jest bardzo ładna praca. Uważam, że jest to odkrycie bardzo ważne. I interesujące. Po prostu jestem przeciwnikiem okrzykiwania tego „nową formą życia”. Bo po prostu nową formą życia to jeszcze nie jest. I tyle. Pomijając jednak ten medialny szum, wczorajsza publikacja otwiera nieco szerzej pole do dywagacji na temat możliwych form życia pozaziemskiego.

Wolfe-Simon, F., Blum, J., Kulp, T., Gordon, G., Hoeft, S., Pett-Ridge, J., Stolz, J., Webb, S., Weber, P., Davies, P., Anbar, A., & Oremland, R. (2010). A Bacterium That Can Grow by Using Arsenic Instead of Phosphorus Science DOI: 10.1126/science.1197258

Kulp, T., Hoeft, S., Asao, M., Madigan, M., Hollibaugh, J., Fisher, J., Stolz, J., Culbertson, C., Miller, L., & Oremland, R. (2008). Arsenic(III) Fuels Anoxygenic Photosynthesis in Hot Spring Biofilms from Mono Lake, California Science, 321 (5891), 967-970 DOI: 10.1126/science.1160799