Открытие бактерии, которая способна использовать мышьяк вместо фосфора в белках и нуклеиновых кислотах, переворачивает представление о химических основах жизни. Иная жизнь обитает в калифорнийском озере.
Опубликованная в Science статья относится к разряду научных сенсаций. Более того, эту сенсацию уже больше суток ждали во всем мире благодаря анонсу на сайте NASA. Появилось даже множество спекуляций на тему того, что ученые NASA нашли внеземную жизнь. Но поклонники «зеленых человечков», вероятно, будут разочарованы. Жизнь оказалась земная, но – без преувеличения – иная, чем вся известная до сих пор. Впервые найден живой организм, способный питаться мышьяком, причем, заменять этим ядовитым элементом фосфор в ДНК и в других органических молекулах своего организма.
Пошатнувшаяся аксиома
Вся земная жизнь основана на шести элементах: кислород, углерод, водород, азот, фосфор и сера – это аксиома. Остальные элементы находятся в организме в следовых количествах. Мышьяк в Периодической системе элементов Менделеева занимает место под фосфором. Это означает, что строение внешнего слоя электронной оболочки их атомов, а, значит, и химические свойства, похожи. Но именно по этой причине мышьяк практически для всех живых организмов стал сильнейшим ядом. Клетки пытаются использовать его вместо фосфора, обманутые сходными свойствами, но этот номер не проходит: соединения мышьяка – арсенаты, намного менее стабильны, чем фосфаты. Однако некоторые специалисты считали, что есть микроорганизмы, способные приспособить свой метаболизм к мышьяку.
Бактерия из мертвого озера
Доказательства получила Фелиса Вольф-Симон (Felisa Wolfe-Simon) из Астробиологического института NASA (NASA Astrobiology Institute) в сотрудничестве с исследователями из Университета Аризоны и других научных организаций. Она собрала образцы осадочных отложений из озера Моно в Калифорнии. Озеро известно тем, что почти безжизненно из-за высокого содержания мышьяка в воде.
Из осадков ученые выделили бактерию GFAJ-1 из семейства Halomonadaceae. Они посеяли ее на питательную среду, в которой полностью отсутствовали фосфаты, но содержались арсенаты, и стали культивировать. Порцию микроорганизмов периодически отбирали и пересевали на свежую среду без фосфатов, но с все увеличивающейся концентрацией мышьяка. Идея состояла в том, чтобы заставить бактерии использовать мышьяк для метаболизма вместо фосфора и проверить, выживут ли они в таких условиях.
По словам Фелисы Вольф-Симон, она не ожидала, что бактерии можно будет приучить к яду, и они станут его потреблять. И сильно удивилась, когда увидела под микроскопом, что бактерия живет и процветает. Культуру проверили на предмет остатков фосфора и подтвердили его отсутствие. Тогда бактериальные клетки стали тщательно изучать.
Мышьяк пригодился вместо фосфора
Масс-спектрометрия показала, что мышьяк находился внутри бактериальных клеток. Ученые добавили к среде радиоактивно меченый арсенат и через некоторое время обнаружили метку в белках, липидах, нуклеиновых кислотах и продуктах метаболизма клеток. Это означало, что мышьяк внедрился в биологические молекулы. Для окончательного подтверждения этого бактериальную ДНК выделили и изучили методом масс-спектрометрии вторичных ионов – ДНК содержала мышьяк. То же показало и рентгеновское исследование. Мышьяк в форме арсенат-иона (AsO4 3-) входил с состав молекулы ДНК, химически связанный с атомами углерода и кислорода. Он заместил собой фосфор, находящийся в ДНК и других биомолекулах в виде фосфат-иона (PO4 3-).
Мышьяковая жизнь в настоящем, прошлом или на других планетах
Ученые не утверждают, что бактерия GFAJ-1 питается мышьяком в природе, то есть в озере Моно, где и обитает. Озерная вода содержит достаточно фосфора, так же как и мышьяка, и бактерии нет необходимости сидеть на «мышьяковой диете». Но в лаборатории ученые доказали принципиальную возможность использовать мышьяк в биомолекулах. Это означает, что бесфосфорная жизнь возможна. Может быть, она где-нибудь существует. Ученые хотят собрать образцы из разных источников на планете с высоким содержанием мышьяка и низким содержанием фосфора. Возможно, им удастся найти и природную мышьяковую жизнь.
Вольф-Симон считает, что мышьяковая жизнь вполне могла процветать в гидротермальных источниках на ранних этапах развития жизни на Земле. Возможно, она возникла сначала, а уже потом мышьяк заместился на фосфор.
«Жизнь, как известно, требует определенных химических элементов и исключает другие, -- говорит профессор Ariel Anbar, специалист по астробиологии NASA. – Но только ли одна опция существует? Как разнообразна может быть жизнь? Когда мы ищем жизнь на других планетах, мы, прежде всего, изучаем встречающиеся там химические элементы. Исследование Фелисы показало нам, что все не так просто».
