Отравленный код

Бактерия из озера Моно заменила мышьяком фосфор в своей ДНК.

Фелисия Вольф-Саймон, сотрудник лаборатории­ астробиологии НАСА (США), объявила об открытии, способном поколебать устоявшиеся теории о существовании и развитии жизни. В статье, опубликованной в журнале Science, она описала бактерию, которая для формирования своих молекул ДНК использует не фосфор, как другие земные бактерии, а мышьяк — смертельный яд для всех  известных форм жизни.

Назло теории

Ученые исследовали ил озера Моно в Йосемитском национальном парке (штат Калифорния). Последние 50 лет водоем лишен притока свежей воды, поэтому насыщен солью, щелочами, а также мышьяковыми соединениями, вымываемыми из горных пород. В этом растворе, в условиях, в которых не может выжить ни одно земное существо, обнаружена живая и неплохо чувствующая себя бактерия.

О токсичности мышьяка известно со времен Древней Греции. Он блокирует  действие ферментов, отвечающих за работу клеток. Таким образом, организм сам себя отравляет. Но на бактерию, которой ученые присвоили «кодовое название» GFAJ-1, этот яд, похоже, не действует. Более того, она научилась использовать его, встраивая в свои молекулы.

До сих пор ученые считали, что для жизни на Земле существует шесть основных строительных материалов: углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера, их обозначают аббревиатурой CHNOPS. Фосфор — часть химической основы ДНК и РНК — структур, несущих генетические инструкции для жизни, считается существенным элементом для всех живых клеток. Кроме того, фосфор — центральный компонент молекулы аденозинового трифосфата, несущей энергию клеткам.  Входит он также в состав фосфолипидов, формирующих клеточные мембраны. В то же время мышьяк, химически подобный фосфору, но более активный, разрушает метаболические пути в клетке, что неминуемо ведет к ее гибели.

Согласно современной теории, в молекулу ДНК входит, в числе других соединений, фосфат, состоящий из пяти атомов: одного — фосфора и четырех — кислорода. Если нет атома фосфора — значит, нет фосфата. Нет фосфата — нет молекулы ДНК. Нет ДНК — нет жизни. Однако бактерия GFAJ-1 этой теории, видимо, не читала.

Травили мы ее, травили…

Лаборатория астробиологии НАСА начала исследования диковинной бактерии. В сосуды, где ее выращивали, стали добавлять мышьяк, постепенно увеличивая концентрацию. Бактерия выживала. Далее ее «морили» фосфорным голодом (то есть не давали материала для построения своих ДНК). Культура не погибла, а более того, развивалась на 60% быстрее, чем в присутствии фосфора. И только когда прекратили добавлять и фосфор, и мышьяк, перестала размножаться. В контрольной группе другая культура клеток GFAJ-1 питалась фосфором вместо мышьяка. Эти клетки также выросли и разделились. Оказалось, что GFAJ-1 способна переключаться с одного вещества на  другое, в зависимости от того, сколько того или иного элемента содержится в растворе.

Фелисия Вольф-Саймон провела такой эксперимент. В питательную среду, где обитали бактерии GFAJ-1, добавила «меченые» радиоизотопы мышьяка, чтобы выяснить, где именно в клетке локализуются атомы ядовитого вещества. Результаты ошеломили. Данные, полученные методами масс-спектрометрии — ICP-MS и NanoSIMS, показали распределение различных химических элементов в пределах клеток GFAJ-1 и продемонстрировали четкое различие между клетками, выращенными с мышьяком и с фосфором. Как известно, молекулы ДНК и РНК состоят из четырех типов азотистых органических соединений — нуклеотидов, которые, чередуясь, выстраиваются в длинную цепочку. Их сочетания и образуют то, что называют генетическим кодом. Между собой эти «столпы наследственности» связаны с помощью молекулы сахара рибозы и фосфорной кислоты, которая у данной бактерии заменена на родственную ей мышьяковую кислоту. Приблизительно одна десятая мышьяка, поглощенного бактериями, закончилась его встраиванием в ДНК и РНК.

Есть ли жизнь на Сатурне?

Результаты исследований Фелисии Вольф-Саймон нашли живой отклик в научном сообществе США. Майкл Нью, астробиолог НАСА, считает данные эксперименты прорывными:

— Открытие организма, который способен использовать мышьяк, чтобы построить компоненты клетки, указывает, что жизнь может сформироваться при отсутствии фосфористых соединений. Раз столь неожиданное для науки поведение существует на Земле, то космос может быть наводнен и более фантастическими существами. Таким образом, увеличивается вероятность обнаружения жизни, построенной на другой «модели». Это открытие расширяет наше понимание условий, при которых может процветать жизнь.

Руководитель одной из научных программ NASA доктор Эдвард Вейлер мыслит еще более глобально:

— Мы расширили понятие «жизнь». Теперь, чтобы найти ее вне Солнечной системы, нам необходимо думать шире, разнообразнее. Раньше соображения о том, что основой жизни может стать не только шестерка CHNOPS, встречались только в книгах фантастов. Правда, частым «гостем» в них был не мышьяк, а кремний, который заменял углерод. Возникло даже название — «кремнийорганическая жизнь». Теперь же альтернативная форма жизни описана в Science Express.

Комментируя результаты работы Вольф-Саймон, почетный член Фонда прикладной молекулярной эволюции (США) Стивен Беннер отметил, что мышьяк по своим химическим свойствам во многом схож с фосфором, однако, встраиваясь в структуру ДНК и РНК, он оказывается «слабым звеном» — образуемые им химические связи легко разрываются. «В то же  время повышенная реакционная способность мышьяка, негативно влияющая на стабильность биологических молекул при комнатной температуре, может оказаться полезной в том случае, если биологическая молекула будет выполнять свои функции при низких температурах, как, например, на спутнике Сатурна Титане», — добавил Беннер.

— Эта история вовсе не о том, что в озере Моно нашли бактерии на мышьяке, — подводит итог Фелисия Вольф-Саймон. — Наше открытие — это напоминание: формы жизни могут быть более непредсказуемы.

Переворот откладывается

В отличие от американских ученых, их украинские коллеги допускают существование бактерий, подобных GFAJ-1, однако не видят в этом особой сенсации. Событие комментирует Александр Таширев, доктор технических наук, заведующий отделом биологии экстремофильных микроорганизмов Института микробиологии и вирусологии им. Д.К. Заболотного:

— В принципе, с точки зрения термодинамики, такое вполне допустимо. Потому что арсенат (соединение мышьяка, устойчивое в воде) по размеру ионного радиуса близок к фосфату. Впрочем, сразу давать положительную или отрицательную оценку данному открытию некорректно. Как правило, после первого сообщения несколько ученых и даже целые лаборатории бросаются проверять его. И тогда либо хоронят подобную идею, либо подтверждают ее. А вообще, подобные сенсации уже имели место. Так, лет тридцать назад в одной бактерии вместо традиционной молибденсодержащей нитрогеназы обнаружили ванадиевую. В течение года шла дискуссия, после чего сразу несколько научных групп подтвердили это открытие.

— Может ли находка необычной бактерии изменить нынешние представления о зарождении жизни на Земле?

— Думаю, нет. Когда-то считалось, что выше температуры кипения воды жизнь невозможна. Потом открыли бактерии в бурлящих гейзерах и  в «черных курильщиках» —  подводных океанических вулканах, расположенных на километровой и более глубине, где очень высокое давление, и выливающаяся магма, попадая в толщу морской воды, имеет огромную температуру. Там и обнаружены бактерии-экстремалы. Чтобы их исследовать, нужно держать культуру в автоклаве при давлении в десятки атмосфер и температуре в сотни градусов по Цельсию. Сейчас изучать бактерии из «черных курильщиков» не очень стремятся — попробуй вести исследования в печке, работающей сутками. Увидели, что такие есть, — и ладно. 

В свою очередь мы, занимаясь антарктическими экосистемами, убедились, что в природе нет ничего невозможного. В самой экологически чистой зоне мы выделили штаммы, которые живут при гигантской концентрации хроматов в воде — 160 граммов на литр, в то время как  всего 100 миллиграммов на литр смертельно для других бактерий.

— То есть для вас не удивительно, что микроорганизмы приспособились жить в условиях, гибельных для их «собратьев»?

— Именно так. Обнаружив подобные бактерии, мы просто не стали раздувать из этого сенсацию. Конечно, все это крайне интересно — новые микроорганизмы, новые их взаимодействия с окружающей средой. Но чтобы менять представление о зарождении жизни… Для этого, пожалуй, нет оснований.

Справка «УТГ»

Мышьяк (As) — химический элемент группы фосфора (Р) с атомным номером 33 в периодической системе элементов Менделеева. В природе, как правило, встречается в виде примеси в рудах цветных металлов. Именно такими соединениями богато дно озера Моно.