Отруєний код

Бактерія з озера Моно замінила миш’яком фосфор у своїй ДНК.

Співробітник лабораторії астробіології НАСА Фелісія Вольф-Саймон (США) оголосила про відкриття, здатне похитнути усталені теорії про існування й розвиток життя. У статті, опублікованій у журналі Science, вона описала бактерію, яка для формування своїх молекул ДНК використовує не фосфор, як інші земні бактерії, а миш’як — смертельну отруту для всіх  відомих форм життя.

На зло теорії

Учені досліджували мул озера Моно в Йосемітському національному парку (штат Каліфорнія). Останні 50 років водойма позбавлена припливу свіжої води, тому насичена сіллю, лугами, а також миш’яковими сполуками, які вимиваються з гірських порід. У цьому розчині, в умовах, у яких не може вижити жодна земна істота, виявлено живу бактерію.

Про токсичність миш’яку відомо із часів Давньої Греції. Він блокує дію ферментів, які відповідають за роботу клітин. Таким чином, організм сам себе отруює. Але на бактерію, якій учені дали «кодову назву» , ця отрута, схоже, не діє. Більш того, вона навчилася використовувати її, убудовуючи у свої молекули.

Досі вчені вважали, що для життя на Землі існує шість основних будівельних матеріалів: вуглець, водень, азот, кисень, фосфор і сірка, їх позначають абревіатурою CHNOPS. Фосфор — частина хімічної основи ДНК і РНК — структур, що несуть генетичні інструкції для життя, уважається істотним елементом для всіх живих клітин. Крім того, фосфор — центральний компонент молекули аденозинового трифосфату, що несе енергію клітинам. Входить він також до складу фосфоліпідів, які формують клітинні мембрани. У той же час миш’як, хімічно подібний до фосфору, але більш активний, руйнує метаболічні шляхи в клітині, що неминуче веде до її загибелі.

Відповідно до сучасної теорії, до молекули ДНК входить, серед інших сполук, фосфат, який складається з п’яти атомів: одного — фосфору й чотирьох — кисню. Отже, якщо немає атома фосфору, немає і фосфату. Немає фосфату — немає молекули ДНК. Немає ДНК — немає життя. Однак бактерія GFAJ-1 цієї теорії, певне, не читала.

Труїли ми її, труїли…

Лабораторія астробіології НАСА почала дослідження дивовижної бактерії. У посудину, де її вирощували, почали додавати миш’як, поступово збільшуючи концентрацію. Бактерія виживала. Далі її «морили» фосфорним голодом (тобто не давали матеріалу для побудови своїх ДНК). Культура не загинула, а більш того, розвивалася на 60% швидше, ніж у присутності фосфору. І тільки коли припинили додавати і фосфор, і миш’як, припинила розмножуватися. У контрольній групі інша культура клітин GFAJ-1 живилася фосфором замість миш’яку. Ці клітини також виросли й розділилися. Виявилося, що GFAJ-1 здатна живитися то однією речовиною, то іншою, залежно від того, скільки того або іншого елемента міститься в розчині.

Фелісія Вольф-Саймон провела такий експеримент. У живильне  середовище, де жили бактерії GFAJ-1, додала «мічені» радіоізотопи миш’яку, щоб з’ясувати, де саме в клітині локалізуються атоми отруйної речовини. Результати приголомшили. Дані, отримані методами мас-спектрометрії — ICP-MS і NanoSIMS, показали розподіл різних хімічних елементів у межах клітин GFAJ-1 і продемонстрували чітку відмінність між клітинами, вирощеними з миш’яком і з фосфором. Як відомо, молекули ДНК і РНК складаються із чотирьох типів азотистих органічних сполук — нуклеотидів, які, чергуючись, утворюють довгий ланцюжок. Їхні сполуки — це і є те, що називають генетичним кодом. Між собою ці «стовпи спадковості» пов’язані за допомогою молекули цукру рибози й фосфорної кислоти, яка у цієї бактерії замінена на споріднену з нею миш’якову кислоту. Приблизно одна десята миш’яку, поглиненого бактеріями, закінчилася його вбудовуванням у ДНК і РНК.

Чи є життя на Сатурні?

Результати досліджень Фелісії Вольф-Саймон знайшли живий відгук у науковому співтоваристві США. Майкл Нью, астробіолог НАСА, уважає дані експериментів проривними:

— Відкриття організму, що здатний використовувати миш’як, щоб побудувати компоненти клітини, указує, що життя може сформуватися за відсутності фосфористих сполук. Якщо така несподівана для науки поведінка існує на Землі, то в космосі може бути повно й більш фантастичних істот. Таким чином, збільшується ймовірність виявлення життя, яке ґрунтується на іншій «моделі». Це відкриття розширює наше розуміння умов, за яких може процвітати життя.

Керівник однієї з наукових програм NASA доктор Едвард Вейлер мислить ще глобальніше:

— Ми розширили поняття «життя». Тепер, щоб знайти його поза Сонячною системою, нам треба думати ширше, різноманітніше. Раніше роздуми про те, що основою життя може стати не тільки шістка CHNOPS, можна було знайти лише в книгах фантастів. Правда, частим «гостем» у них був не миш’як, а кремній, який заміняв вуглець. Виникла навіть назва — «кремнієорганічне життя». Тепер же альтернативна форма життя описана в Science Express.

Коментуючи результати роботи Вольф-Саймон, почесний член Фонду прикладної молекулярної еволюції (США) Стівен Беннер відзначив, що миш’як за своїми хімічними властивостями багато в чому схожий на фосфор, однак, убудовуючись у структуру ДНК і РНК, він стає «слабкою ланкою» — утворені ним хімічні зв’язки легко розриваються. «У той же  час підвищена реакційна здатність миш’яку, що негативно впливає на стабільність біологічних молекул за кімнатної температури, може бути корисною, якщо біологічна молекула виконуватиме свої функції за низьких температур, як, наприклад, на супутнику Сатурна Титані», — додав Беннер.

— Ця історія зовсім не про те, що в озері Моно знайшли бактерії на миш’яку, — підбиває підсумок Фелісія Вольф-Саймон. — Наше відкриття — це нагадування: форми життя можуть бути більш непередбачуваними.

Переворот відкладається

На відміну від американських учених, їхні українські колеги припускають існування бактерій, подібних до GFAJ-1, однак не бачать у цьому особливої сенсації. Подію коментує Олександр Таширев, доктор технічних наук, завідувач відділу біології екстремофільних мікроорганізмів Інституту мікробіології та вірусології імені Д.К. Заболотного:

— У принципі, з огляду на термодинаміку таке цілком припустиме. Бо арсенат (сполука миш’яку, стійка у воді) за розміром іонного радіуса близький до фосфату. Утім, відразу давати позитивну або негативну оцінку цьому відкриттю некоректно. Як правило, після першого повідомлення кілька вчених і навіть цілих лабораторій кидаються перевіряти його. І тоді або відмовляються від такої ідеї, або підтверджують її. А взагалі, такі сенсації вже були. Так, років тридцять тому в одній бактерії замість традиційної молібденвмісної нітрогенази виявили ванадієву. Протягом року точилася дискусія, після чого відразу декілька наукових груп підтвердили це відкриття.

— Чи може відкриття незвичайної бактерії змінити нинішні уявлення про зародження життя на Землі?

— Думаю, ні. Колись уважалося, що вище температури кипіння води життя неможливе. Потім відкрили бактерії у гейзерах і  в «чорних курцях» —  підводних океанічних вулканах, розташованих на кілометровій і більшій глибині, де дуже високий тиск, і магма, що виливається, потрапляючи в товщу морської води, має величезну температуру. Там і знайдено бактерії-екстремали. Щоб їх досліджувати, треба тримати культуру в автоклаві за тиску в десятки атмосфер і температури в сотні градусів за Цельсієм. Зараз вивчати бактерії з «чорних курців» не дуже хочуть — спробуй вести дослідження в пічці, яка працює цілодобово. Побачили, що такі є, — і добре. 

У свою чергу ми, вивчаючи антарктичні екосистеми, переконалися, що в природі немає нічого неможливого. У найбільш екологічно чистій зоні ми виділили штами, які живуть за гігантської концентрації хроматів у воді — 160 грамів на літр, у той час як  лише 100 міліграмів на літр смертельні для інших бактерій.

— Тобто для вас не дивно, що мікроорганізми пристосувалися жити в умовах, згубних для їх «побратимів»?

— Саме так. Виявивши такі бактерії, ми просто не вважали за потрібне робити із цього сенсацію. Звичайно, усе це надзвичайно цікаво — нові мікроорганізми, нові їхні взаємодії з навколишнім середовищем. Але щоб змінювати уявлення про зародження життя… Для цього, мабуть, немає підстав.

Довідка «УТГ»

Миш’як (As) — хімічний елемент групи фосфору (Р) з атомним номером 33 у періодичній системі елементів Менделєєва. У природі, як правило, зустрічається у вигляді домішки в рудах кольорових металів. Саме на такі сполуки багате дно озера Моно.