2 Aralık'ta yayınlanan “arsenik yaşamı” belgesinden gelen tepkiler halen devam ediyor. Eleştirilerin bir kısmı bilim ile ilgiliyken, çok daha fazla eleştiri haberlerin kapsamı ve NASA'nın “astrobiyoloji” ve “dünya dışı yaşam” kelimelerini kullanarak halkı haberlerle nasıl tanıştırdığı veya “alay ettiği” hakkındaydı. bir basın toplantısının duyurulması. Bugün, Amerikan Jeofizik Birliği konferansında, ekip bilim adamlarından biri olan Ron Oremland, haber kapsamındaki serpintiyi tartıştı ve ben de kısaca bu konuyla ilgili bir genel bakış sunacağım. Bilim ekibi yaklaşık olarak aynı zamanda bilim makalesi hakkında bir açıklama ve bazı SSS'ler yayınladı. Aşağıda bu ifade ve bilim ekibinin sağladığı bilgiler yer almaktadır.
“Fosfor Yerine Arsenik Kullanarak Büyüyebilen Bir Bakteri” Bilim Makalesine İlişkin Sorulara Yanıt
-16 Aralık 2010 itibariyle
Science dergisi tarafından 2 Aralık 2010'da yayınlanan bir araştırma makalesinde, Kaliforniya'nın Mono Gölü'nden izole edilmiş bir bakterinin fosforunun küçük bir yüzdesi için arsenik yerine kullanılabileceğini ve büyümesini sürdürebileceğini gösteren çeşitli kanıtlar sağlandı.
Bu bulgu şaşırtıcıydı çünkü karbon, oksijen, hidrojen, azot, kükürt ve fosfor olmak üzere altı element, nükleik asitler, proteinler ve lipitler de dahil olmak üzere canlı maddelerdeki organik moleküllerin çoğunu oluşturuyor. Araştırma ekibine bağlı olmayan bilim adamları bu nedenle araştırma hakkında uygun zorlayıcı sorular sordular.
Bilimsel yayınların temel amacı, ilginç veriler sunarak ve test edilebilir hipotezler önererek bilimi ilerletmektir. Anlaşılır biçimde, en şaşırtıcı bulgular, bilim camiasından en yoğun tepki ve incelemeyi üretme eğilimindedir. Yayın sonrası orijinal araştırmalara verilen yanıtlar ve özellikle beklenmedik bulgular söz konusu olduğunda sonuçları test etme ve çoğaltma çabaları, bilimsel bilginin ilerletilmesi için önemli bir mekanizmadır.
Bilim editörleri, Felisa Wolfe-Simon ve meslektaşlarının yazdığı “Fosfor Yerine Arsenik Kullanarak Büyüyebilen Bir Bakteri” makalesine yanıt veren bir dizi teknik yorum ve mektup aldı. Yorumlar ve yanıtlar gözden geçirilecek ve bunları Science'ın gelecekteki bir sayısında yayınlayacağız.
Bu arada, çalışmanın kamuoyunda anlaşılmasını teşvik etmek amacıyla, araştırma makalesi ve ilgili bir haber, önümüzdeki ay için Science Web sitesi aracılığıyla halka ücretsiz olarak sunuldu. Bu makaleleri çevrimiçi olarak burada bulabilirsiniz:
Wolfe-Simon ekibi, belki de bazı bakterilerin arsenik kullanabileceğini veya organik moleküllerde fosfor yerine bazı ikameleri tolere edebileceğini, arsenik açısından zengin Mono Gölü'nden mikrop topladığını ve daha sonra bunları arsenikle beslediklerini teorikleştirdi. Ekip, herhangi bir fosfor kontaminasyonunu ekarte etmek için adımlar attıklarını bildirdi. Kanıtları, arseniklerin DNA'larındaki fosforun küçük bir yüzdesinin yerini aldığını ileri sürdü.
Yazarlar tarafından aşağıdakiler de dahil olmak üzere çeşitli kanıt türleri tanımlanmıştır:
Endüktif olarak bağlı plazma kütle spektrometresi.
Yazarlar bu sonuçların arsenikin bakteriyel hücrelerin içinde olduğunu ve bunun sadece hücrelerin dışına yapışmış bir kirletici olmadığını öne sürdüğünü;
Arsenik radyoaktif etiketlemesi.
Wolfe-Simon’un ekibi, bu kanıtların, hücrelerin protein, lipit, nükleik asit ve metabolit fraksiyonlarındaki normal toksik maddeyi tespit etmelerine izin verdiğini ve her fraksiyonu oluşturan moleküllere alındığını düşündürdü.
* DNA'nın bakterilerden ayrılmasından sonra yüksek çözünürlüklü ikincil iyon kütle spektrometrisi.
Yazarlar bu kanıtların izole DNA'nın hala arsenik içerdiğini öne sürdüğünü bildirmişlerdir.
* Yüksek yoğunluklu (senkrotron) X-ışını analizi.
Bu kanıtlara dayanarak, yazarlar bakterilerdeki arsenikin DNA ve diğer moleküllerdeki fosfatların yerini aldığı görülmüştür.
Bulgular hakkındaki sorular, bakterilerin arsenik'i DNA'ya gerçekten dahil edip etmediğine ve mikropların fosfor tüketmeyi tamamen bırakıp bırakmadıklarına odaklanma eğilimindeydi. Ekip soruları hakemli bir süreçle ele almayı tercih ederken, Felisa Wolfe-Simon ve Ron Oremland burada bir kamu hizmeti olarak bazı ek bilgiler sağladılar ve verilerini ve prosedürlerini netleştirdiler. Bilim, bu tepkilerin hakem değerlendirilmediğini vurgular; Bilim adına gönderilen yorumlara verdikleri yanıtların daha resmi bir şekilde gözden geçirilmesine devam edilirken, yazarlar adına sadece kamuya açık bilgi hizmeti olarak verilmektedir.
Ön Soru ve Cevap
Soru: Bazı insanlar DNA'nın jel elektroforezi kullanarak tekniğiniz tarafından yeterince temizlenip temizlenmediğini, diğer moleküllerden ayırmak için sorguladılar. Bunun geçerli bir endişe olduğunu düşünüyor musunuz?
Cevap:
DNA ekstraksiyonu ve saflaştırma protokolümüz, ortamdan topaklanan yıkanmış hücrelerle başlar. Bunlar daha sonra, herhangi bir kurumlanmamış arsenat (As) dahil olmak üzere safsızlıkları gidermek için çoklu fenol kloroform aşamalarını içeren standart bir DNA ekstraksiyon protokolüne tabi tutulur. Bundan sonra DNA elektroforezlendi ve DNA'yı safsızlıklardan ayırdı. Ortamdan herhangi bir artık, ekstraksiyondan önce hücrelerin yıkanması ve ekstraksiyondaki 3 fenol: kloroform aşaması sırasında sulu faza bölünmesi ile uzaklaştırılmış olacaktır. As bir lipit veya proteine katılmış olsaydı, fenol, fenol: kloroform veya kloroform fraksiyonlarına bölünürdü. Ek olarak, bu şekilde diğer numuneler üzerinde ekstrakte edilen DNA, yüksek derecede saflaştırılmış DNA gerektiren PCR dahil olmak üzere başka analizlerde de başarıyla kullanılmıştır.
Jel bandında NanoSIMS tarafından ölçülen arsenik, diğer ölçümlerimiz ve başka bir kanıt dizimizle tutarlıdır.
Radyoaktif işaretli 73AsO43- deneyimiz, hücre peleti ile ilişkili toplam radyoaktif etiketin% 11.0 ±% 0.1'inin DNA / RNA fraksiyonu ile ilişkili olduğunu gösterdi. Bu, nükleik asitlerle ilişkili toplam havuzun bir miktar arsenatını beklememiz gerektiğini gösterdi. Bu verileri yorumlamak için, yorumumuzu hücre içi arsenikin C'ye bağlı As (V) olduğunu ve çözelti içinde iyon olarak serbest olmadığını düşündüren EXAFS kanıtlarımızla birleştirdik. Bu, olduğu gibi, fosfata benzer bir kimyasal ortamla tutarlı bağ mesafelerine sahip organik bir molekül olduğunu gösterir (Şekil 3A, S3 “bağ uzunlukları” tablosu). Daha önce bahsedilen iki analiz hakkındaki yorumumuzu daha da destekleyerek, diğer ikisinden tamamen farklı bir teknik olan NanoSIMS'in üçüncü bir kanıt hattını kullandık. Jel bandıyla ilişkili, jeldeki arka planın iki katından fazla olan elementer arsenik (NanoSIMS tarafından ölçüldüğü gibi) buluyoruz. Yukarıdaki tartışmaya dayanarak, bunun geçerli bir endişe olduğunu düşünmüyoruz.
Soru: Diğerleri, arsenat bağlantılı DNA'nın suya maruz kaldığında hızla parçalanması gerektiğini savundu. Bunu ele alabilir misiniz?
Cevap:
Uzun zincirli poliesterlerde veya arsenatın nükleotid di- veya tri-esterlerinde bağlı arsenatı ele alan ve bizim çalışmamızla doğrudan ilgili olan herhangi bir çalışmanın farkında değiliz. Yayınlanmış çalışmalar, basit arsenik esterlerin hidroliz oranlarının fosfat esterlerden çok daha yüksek olduğunu göstermiştir (1-3). Bugüne kadar yayınlanan deneyler, özellikle arsenatın alkil triesterlerinin değişimine veya hidrolizine baktı [Eqn. 1] ve arsenitin alkil di-esterleri [Eqn. 2]:
OA (VEYA) 3 + H20? OAs (OH) (OR) 2+ ROH [1]
OAs (OH) (OR) 2 + H20? OAs (OH) 2 (OR) + ROH [2]
burada R = metil, etil, n-pentil ve izopropil. Referans 2, arsenatın bu basit alkil triesterleri için hidroliz oranlarının, alkil ikame edicisinin (metil> etil> n-pentil> izopropil) artan karbon zinciri uzunluğu (karmaşıklığı) ile azaldığını gösterdi. Arsenat bağlantılı nükleotitlerin veya biyolojik olarak ilgili diğer kısımların hidroliz oranları üzerinde hiçbir çalışma yapılmamıştır.
Hidrolitik oran eğilimi Ref. Şekil 2, biyomoleküllerde bulunanlar gibi daha büyük organiklere devam eder, arsenat bağlantılı biyopolimerlerin daha önce düşünülenden daha fazla hidrolize karşı dirençli olabileceği düşünülebilir. Küçük model bileşikler Ref. 1-3 nispeten esnektir ve suyun arseno-ester bağına saldırması için ideal geometriyi kolayca benimseyebilir. Bununla birlikte, büyük biyo-moleküllerin arsenat esterlerinin, daha düşük hidroliz oranlarına yol açacak şekilde daha sterik olarak engellenmesi muhtemeldir.
Reaksiyon hızı üzerindeki bu tip sterik kısıtlama, bazı fosfat bağlantılı nükleotitlerin davranışında görülen geniş oran aralığını açıklar. Küçük ribozimlerde, kataliz bölgesindeki fosfodiester bağlantıları onlarca saniye (1 s-1 kimyasal oranıyla) hidrolize edilebilir. Bu oran artışı, bir nükleofil (bitişik bir 2-hidroksil grubu) tarafından hat içi saldırı için bağlantıyı yönlendirerek elde edilir. Ayrıca, otodegradasyon paternleri spesifik baz kompozisyonu ile tutarlıdır. Öte yandan, RNA'nın A form duplekslerindeki fosfodiester bağları için hidroliz hızları, çok daha yavaş büyüklük sıralarıdır, çünkü bu bağlantılar, hidroliz için gerekli geometriye kolayca erişemez.
Sarmal tarafından omurgaya uygulanan geometrik kısıtlamalar nedeniyle DNA'daki oranlar model bileşiklerden çok daha yavaş olabilir.
Arsenat bağlantılı biyopolimerlerin hidrolizinin kinetiği, açıkça daha fazla araştırmanın gerekli olduğu bir alandır.
Soru: Büyüme ortamınızdaki tuzların bakterileri sürdürmek için yeterli miktarda fosfor sağlamış olması mümkün mü?
Cevap:
Tablo S1'deki veri ve örnek etiketleme bazı karışıklıklara neden olmuştur. Her deney için, aşağıdaki formülasyonla tek bir yapay Mono Gölü suyu partisi yapıldı: AML60 tuzları, P yok, As yok, glikoz yok, vitamin yok. Tablo S1, ilave formülasyonlardan önce bu formülasyon üzerinde yapılan elementel fosfor (~ 3 uM) ve arsenatın ICPMS ölçümlerinin örneklerini göstermektedir. Sonra her üç tedavi için glikoz ve vitaminler ve + As tedavileri gelince veya + P tedavileri için P ekledik. Sükroz ve vitaminlerin eklenmesinden sonra ve As ilave edilmesinden sonra ortam üzerinde yapılan P ölçümleri de bu partide ~ 3 uM idi. Bu nedenle, ölçülen herhangi bir P katışkısının (~ 3 uM, bu yüksek aralıktı) ana tuzlarla birlikte geldiği ve tüm deneylerin aynı P arka planını (kültür inokülü ile getirilen herhangi bir P dahil) içerdiği açıktı.
Bilim makalesinde, arsenat veya fosfat eklenmemiş ortamdaki hücrelerin büyümesini gösteren birçok çoğaltılmış deneyin bir deneyin verileri gösterilmektedir (Şekil 1). Bu veriler, GFAJ-1 suşunun arsenat yokluğunda daha fazla büyümeyi desteklemek için 3 uM P'yi kullanamadığını açıkça göstermektedir. Ayrıca + As / -P büyütülmüş hücreleri için belirlenen hücre içi P içeriği, hücresel fonksiyon için P'nin tam gereksinimini desteklemek için yeterli değildi.
Kültür hakkında not: Tüm deneyler, sürekli + As / -P koşullarından inokula ile başlatıldı. Deneylerden önce, hücreler, ilave fosfat olmadan katı ortam üzerinde büyütülmüş tek bir koloniden çok sayıda nesil için uzun vadede büyütülmüştür. Bundan önce, 10'dan fazla transfer için bir zenginleştirme olarak ve her zaman + As / -P olan yeni bir ortama büyütüldü. Bu nedenle, P'nin önemli bir taşınması olmadığını düşünüyoruz. Ayrıca, P'nin dahili geri dönüşüm havuzuna dayanan ek büyümeyi desteklemek için yeterli hücresel P'nin olmayacağını da iddia ediyoruz.
Soru: Halkın araştırmanız veya bilimsel süreç hakkında anlamasını istediğiniz başka bir şey var mı?
Cevap: Hepimiz için, tüm ekibimiz, bunun neye benzediği hayal edilemezdi. Gerçekten ilginç bir sorunu çözmek için bir araya gelen bir grup bilim adamıyız. Teknik yeteneklerden entelektüel tartışmaya kadar yeteneklerimizi, deneylerimizde tam olarak neler olduğunu nesnel olarak belirlemek için kullandık. Gazetede ve basında özgürce, bizim tarafımızdan ve bir dizi diğer bilim insanının yapacağı çok, çok daha fazla iş olduğunu kabul ettik. Basın toplantısında, yukarıda yanıtladığımız endişelerin bir kısmını dile getiren bir teknik uzman Dr. Steven Benner bile vardı. Bu çalışmayı topluma getirme nedenimizin bir kısmı, devam eden soruların çoğunu yanıtlamak için daha fazla işbirliği için entelektüel ve teknik bağlantılar kurmaktı. Verilerimizle şeffaftık ve her veriyi ve ilginç sonucu gösterdik. Makalemizin sonuçları, tek bir deneyin büyük soruyu cevaplayamayacağı bir dizi deneyi yorumlamanın en cimri yolunun ne olduğunu hissettiğimize dayanmaktadır. “Bir mikrop büyümesini sürdürmek için fosfor yerine arsenik kullanabilir mi?” En iyi bilim bizim için bir topluluk olarak yeni sorular açar ve halkın ilgisini ve hayal gücünü vurgular. İletişimciler ve bilimin temsilcisi olarak, yeni fikirlerin verilerle desteklenmesinin kritik olduğunu, aynı zamanda başkalarının düşünmesi ve yeteneklerini taşıması için yeni fikirler üretmesinin önemli olduğunu düşünüyoruz.
Bu ilgi çekici bulguyu daha iyi kavramak amacıyla doğrudan veya hücreleri serbestçe kullanılabilir hale getirerek ve analizleri için uygun uzmanlara DNA örnekleri sağlayarak diğer bilim insanlarıyla çalışmayı dört gözle bekliyoruz.
Referanslar
1. T. G. Richmond, J.R. Johnson, J.O. Edwards, P.H. Rieger, Aust. J. Chem. 30, 1187 (1977) 'de tarif edilmektedir.
2. C. D. Baer, J. Rieger, Inorg. 20, 905 (1981) 'e bakınız.
3. J.-M. El sanatları, Bull. Soc. Chim. Fr. 14,99 (1870).
4. Lagunas, D. Pestana, J. Diez-Masa, Biochemistry 23, 955 (1984).
Kaynak: Felisa Wolf-Simon’un web sitesi Iron Lisa
