A nap híre (bár jelentőségét mérgetve, könnyen lehet, hogy az év hírével van dolgunk), kétségtelen a DNS-ükben foszfor helyett arzént használó prokarióták azonosítása.
A NASA sajtótájékoztatóját megelőzően a szivárogtatások alapján már számos hírportál megírta kb. mire is lehet majd számítani, bár többnyire sikerült bődületesen rosszul megfogni, hogy mi is a lényeges a dologban. A Gizmodo kezdeti hírét, annak összes hibájával együtt, sokan átvették és "arzénalapú" életről, illetve DNS-ről cikkeztek hosszan. Ami persze eléggé félreértése a lényegnek (lásd mindjárt), hiszen az "arzénalapút" csak a szénalapú ellentétjeként lehetne értelmezni, márpedig a szén egyedi tulajdonságai közül, amelyek kulcsszereplővé teszik a szerves kémiában, az arzén nem mindegyikkel bír. (A nem-szénalapú rendszerek közül talán a szilícium alapúnak van a legnagyobb rajongó tábora, de itt is a szén különlegessége mellett szól, hogy bár a földkéregben ezerszer kevesebb van belőle, mint a szilíciumból, mégis a szén lett az élet kulcsszereplője.)
A nap híre (bár jelentőségét mérgetve, könnyen lehet, hogy az év hírével van dolgunk), kétségtelen a DNS-ükben foszfor helyett arzént használó prokarióták azonosítása.
A NASA sajtótájékoztatóját megelőzően a szivárogtatások alapján már számos hírportál megírta kb. mire is lehet majd számítani, bár többnyire sikerült bődületesen rosszul megfogni, hogy mi is a lényeges a dologban. A Gizmodo kezdeti hírét, annak összes hibájával együtt, sokan átvették és "arzénalapú" életről, illetve DNS-ről cikkeztek hosszan. Ami persze eléggé félreértése a lényegnek (lásd mindjárt), hiszen az "arzénalapút" csak a szénalapú ellentétjeként lehetne értelmezni, márpedig a szén egyedi tulajdonságai közül, amelyek kulcsszereplővé teszik a szerves kémiában, az arzén nem mindegyikkel bír. (A nem-szénalapú rendszerek közül talán a szilícium alapúnak van a legnagyobb rajongó tábora, de itt is a szén különlegessége mellett szól, hogy bár a földkéregben ezerszer kevesebb van belőle, mint a szilíciumból, mégis a szén lett az élet kulcsszereplője.)
Az arzén, s ezzel nem lepek meg senkit, elsősorban méreg. Ez leginkább inorganikus formáira igaz, mert szerencsére a tengeri élőlényekben igen magas koncentrációkban megjelenő organikus arzén nem mérgező, így nyugodtan lehet kagylót fogyasztani. Ugyanakkor az arzén egyike lehet azoknak a különleges nyomelemeknek, amelyekből ugyanakkor szükségünk van a normális élethez. (Utóbbira nem leltem atombiztos bizonyítékot, szóval senki ne tegyen a családi Béres-cseppes üvegbe extra adag arzént még!) Azt is tudtuk, hogy néhány prokarióta élőlény különböző arzénvegyületeket már az anyagcseréjében is képes használni, ami azt támasztja alá, hogy ez egy biogén molekula. Ami a mai hírben új, hogy a jelek szerint olyan prokarióta élőlényt leltek, amelynek a DNS-ében (az ábrán sárgával jelölt) foszfát csoportok helyett arzenátok kötik össze az egyes nukleotidok cukorvázait.
Mennyire meglepő mindez, ha tényleg így van? Elsőre nagyon, második ránézésre már kevésbé. Az arzén és a foszfor ugyanis rokon vegyületekelemek, amelyek egymás alatt helyezkednek el a periódusos rendszer "nitrogén csoportjában". Ebből a hasonlóságból ered egyébként az arzén toxicitása is (pontosabban annak egy része): számos biológiai folyamatban a foszfor helyére épül be, instabillá téve azokat a folyamatokat (pl. sejtlégzés), ahol a foszfornak kulcsszerepe van. Sőt, tulajdonképpen ezen hasonlóság alapján vetette fel pár éve a mostani cikk első szerzője, Felisa Wolfe-Simon, hogy az élet kialakulásakor akár a foszfor helyett arzén lehetett a fontosabb. Szavait erős szekpticizmus fogadta és feltehetőleg ez hajtotta, hogy igazát kísérletes formában is keresse.
A keresés helyszíne a kaliforniai Mono-tó lett, amelynek magas só (pH=10) és arzén tartalma nem épp barátságos az átlagos életformák számára. Mégis, számos prokarióta mellett, komplex eukarióták is találhatók benne és körülötte: sóférgek és a velük táplálkozó madárseregek. (A leadhez csatlolt, Lem regényekre emlékeztető kép így nem is csöppet hatásvadász. ;-)). A tóból izolált mintákat Wolfe-Simon növekvő arzén- és csökkenő foszfor koncentráció mellett kezdete növeszteni. Sokadik átoltás után, amikor foszfor már szinte egyáltalán nem lehetett jelen a közegben, vidáman mozgolódó prokarióta tömeget talált a kémcsőben. A baktérium, a GFAJ-1, 16S rRNS analízis alapján a Gram-negatív, sókedvelő Halomonadaceae családba tartozik. (Azaz nem kell kidobni a biosz tankönyveket, a baktérium az eddigi jelek szerint nagyon is része az élet közös (filogenetikai) fájának, nagyvonalakban ugyanolyan örökítő és anyagcsere rendszert használ, mint minden más faj, csak egy apró csavarral.)
Az izgalmas kérdés persze annak a kiderítése, hogy mihez is kell neki az arzén? Ennek eldöntéséhez radioaktív arzenátot adtak a tápoldathoz és vizsgálták, hogy milyen makromolekuláris frakcióba kerül bele. Az eredmények szerint arzén főleg a fehérje (és metabolit) frakcióban volt jelen, de kisebb mennyiség a lipidekben is fellelhető volt, illetve (természetesen) a nukleinsav-frakcióban - a teljes mennyiség kb 10%-a volt utóbbiban. Tisztítás utáni genomi DNS-ben is ki lehetett mutatni tömegspektrometriával az arzén jelenlétét, valamint szinkroton röntgen vizsgálattal azt is, hogy arzenát formájában van ott jelen. Így, ha nem is lehet teljesen kizárni annak az esélyét, hogy különlegesen makacs szennyeződésről van szó, lényegesen lecsökkent a hiba esélye (a NASA sajtótájékoztatón elhangzottak szerint készülőben van a mindent eldöntő kristályszerkezet is; valamikor jövőre várható).
Ami igazán izgalmas, és a legtöbb híradás nem terjedt ki rá, az az, hogy az arzenátot egy kis molekulsúlyú metabolit (vagyis anyagcsere származék) frakcióban is megtalálták. Mivel a foszfát az ATP és NADPH molekulákban fontos szerepet tölt be az energiatárolásban, az is egy nagyon izgalmas kérdés, hogy a GFAJ-1-ben ilyen szerepét is átvette-e az arzenát. Azaz a baci megfelelő enzimjei adenozin-trifoszfát helyett adenozin-triarzenátot szintetizálnak-e? Az előbbi eredmények szerint igen, de, tegyük hozzá, még nem tudjuk biztosan. További izgalmas és totál megválaszolatlan kérdés, hogy mi történik az olyan jelátviteli folyamatokban, ahol egyes fehérjék foszforilációja/defoszforilációja (azaz egy foszfát csoport ráaggatása, ill. levétele) kulcsfontosságú az útvonal működésében. Vajon funkcionális arzeniláció következik be? Mindezek, a nukleinsav exkluzív szerkezetén túl egy egészen exkluzív anyagcserét jelentenének (ami persze, az említett foszfor-arzén hasonlóság miatt nem teljesen elképzelhetetlen.)
Egyébként egy apró információ elveszett a legtöbb híradásban. Mégpedig az, hogy a GFAJ-1 nem obligát arzenofil, vagyis nem függ az arzéntól. Olyannyira nem, hogy foszfor hozzáadása mellett lényegesen gyorsabban nő és osztódik.
A mellékelt ábra a baktériumok számának változását 1.5mM foszfát (fekete körök), vagy 40mM arzenát (fekete négyzetek) jelenlétében, illetve ezek hiányában (fehér háromszögek) mutatja. Elég egyértelmű, hogy ha teheti, a GFAJ-1 foszfort preferálja. Ugyanakkor ez az eredmény felvillantja annak a lehetőségét, hogy megértsük miképpen lehet olyan körülményeket létrehozni, ahol a két molekula ennyire képes egymást helyettesíteni.
Az alapkérdés, miszerint az élet kezdetén mi volt hamarabb a foszfor, vagy az arzén persze még mindig megválaszolatlan marad. A GFAJ-1 minden rendelkezésünkre álló adat szerint egy különleges adaptációt mutat, különleges életkörülményeinek megfelelően és köszönhetően, és nem egy, az élet hajnaláról tanúskodó, ősi tulajdonságot tartott meg. Ugyanakkor hirtelen sokkal plauzibilisebben hat az arzént preferáló elmélet, mint ezelőtt pár nappal. Sőt, mivel a négy bázis egyikével, az adeninnel analóg adenozin-monoarzenát spontán is könnyen létrejön (ellentétben az adeninnel), s így a kezdet kezdetén rendelkezésre állhatott (különleges katalízis nélkül is), még az sem zárható ki, hogy egy nap kiderül, igaz.
Pennisi E (2010) What Poison? Bacterium Uses Arsenic To Build DNA and Other Molecules. Science 330: 1302.
Wolfe-Simon F, Switzer Blum J, Kulp TR, Gordon GW, Hoeft SE et al. A Bacterium That Can Grow by Using Arsenic Instead of Phosphorus. Science doi: 10.1126/science.1197258
