Reakcja ze strony „życia z arszeniku”, która została opublikowana 2 grudnia, wciąż trwa. Część krytyki dotyczyła nauki, podczas gdy znacznie więcej krytyki dotyczyło relacji z wiadomości, a także tego, jak NASA przedstawiła lub „drażniła” społeczeństwo wiadomościami, używając w swoich słowach słów „astrobiologia” i „życie pozaziemskie” ogłoszenie o zbliżającej się konferencji prasowej. Dzisiaj, na konferencji American Geophysical Union, jeden z naukowców z zespołu, Ron Oremland, omawiał konsekwencje wiadomości i niedługo opiszę to. Mniej więcej w tym samym czasie zespół naukowy opublikował oświadczenie i kilka najczęściej zadawanych pytań na temat dokumentu naukowego. Poniżej znajduje się to oświadczenie i informacje dostarczone przez zespół naukowy.
Odpowiedź na pytania dotyczące artykułu naukowego „Bakteria, która może rosnąć dzięki zastosowaniu arsenu zamiast fosforu”
- z 16 grudnia 2010 r. -
Artykuł badawczy opublikowany 2 grudnia 2010 r. Przez czasopismo Science dostarczył kilka linii dowodów, łącznie sugerując, że bakteria izolowana z kalifornijskiego jeziora Mono Lake może zastąpić arsen niewielkim procentem fosforu i utrzymać jego wzrost.
To odkrycie było zaskakujące, ponieważ sześć pierwiastków - węgiel, tlen, wodór, azot, siarka i fosfor - tworzą większość cząsteczek organicznych w żywej materii, w tym kwasy nukleinowe, białka i lipidy. Naukowcy niezwiązani z zespołem badawczym zadawali zatem odpowiednio trudne pytania dotyczące badań.
Kluczowym celem publikacji naukowych jest rozwój nauki poprzez prezentowanie interesujących danych i proponowanie sprawdzalnych hipotez. Zrozumiałe jest, że najbardziej zaskakujące odkrycia wywołują najbardziej intensywną reakcję i kontrolę ze strony społeczności naukowej. Odpowiedzi po publikacji na oryginalne badania oraz wysiłki w celu przetestowania i powtórzenia wyników, szczególnie w przypadku nieoczekiwanych ustaleń, są niezbędnym mechanizmem rozwoju wiedzy naukowej.
Redaktorzy naukowi otrzymali teraz szereg uwag technicznych i listów w odpowiedzi na artykuł „Bakteria, która może rosnąć dzięki zastosowaniu arsenu zamiast fosforu” Felisy Wolfe-Simon i współpracowników. Komentarze i odpowiedzi zostaną przejrzane, a my opublikujemy je w przyszłym numerze Science.
Tymczasem, w celu promowania publicznego zrozumienia dzieła, artykuł badawczy i związany z nim artykuł zostały udostępnione publicznie za pośrednictwem strony internetowej Science na następny miesiąc. Artykuły te można znaleźć online tutaj:
Zespół Wolfe-Simona, wysuwając teorię, że być może niektóre bakterie mogą stosować arsen lub tolerować substytucję fosforu w cząsteczkach organicznych, zbierał drobnoustroje z bogatego w arszenik Mono Lake, a następnie stopniowo odstawił je od fosforu, zamiast tego karmiąc je arszenikiem. Zespół poinformował, że podjął kroki w celu wykluczenia jakiegokolwiek zanieczyszczenia fosforem. Doszli do wniosku, że ich dowody sugerują, że arsen zastąpił niewielki procent fosforu w ich DNA.
Autorzy opisali różne rodzaje dowodów, w tym:
* Spektrometria mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie.
Autorzy podali, że wyniki te ujawniły, że arsen znajduje się w komórkach bakteryjnych, co sugeruje, że nie był to tylko zanieczyszczenie przyklejone na zewnątrz komórek;
* Radioaktywne znakowanie arsenu.
Zespół Wolfe-Simona powiedział, że te dowody pozwoliły im dostrzec normalnie toksyczną substancję w białkach, lipidach, kwasach nukleinowych i frakcjach metabolicznych komórek, co sugeruje, że zostały one pobrane w cząsteczki tworzące każdą frakcję.
* Spektrometria masowa jonów wtórnych wysokiej rozdzielczości DNA po jego oddzieleniu od bakterii.
Autorzy podali, że te dowody sugerują, że izolowane DNA wciąż zawierało arsen.
* Analiza rentgenowska o wysokiej intensywności (synchrotron).
Na podstawie tych dowodów autorzy doszli do wniosku, że arsen w bakteriach wydaje się zastępować fosforany w DNA i innych cząsteczkach.
Pytania dotyczące odkryć koncentrowały się na tym, czy bakterie naprawdę włączyły arsen do DNA i czy drobnoustroje całkowicie przestały konsumować fosfor. Podczas gdy zespół woli odpowiadać na pytania w drodze recenzji, Felisa Wolfe-Simon i Ron Oremland podali tutaj dodatkowe informacje jako usługę publiczną oraz wyjaśniają swoje dane i procedury. Nauka podkreśla, że odpowiedzi te nie były recenzowane; są one udostępniane w imieniu autorów wyłącznie jako publiczny serwis informacyjny, podczas gdy trwa bardziej formalny przegląd ich odpowiedzi na komentarze przesłane do Science.
Wstępne pytania i odpowiedzi
Pytanie: Niektórzy ludzie pytali, czy DNA zostało wystarczająco oczyszczone za pomocą twojej techniki przy użyciu elektroforezy żelowej, aby oddzielić je od innych cząsteczek. Czy uważasz, że to uzasadniona obawa?
Odpowiedź:
Nasz protokół ekstrakcji i oczyszczania DNA rozpoczyna się od umytych komórek, granulowanych z pożywki. Są one następnie poddawane standardowemu protokołowi ekstrakcji DNA, który obejmuje wiele etapów chloroformu fenolu w celu usunięcia zanieczyszczeń, w tym dowolnego niewłączonego arsenianu (As). Następnie DNA poddano elektroforezie, dodatkowo oddzielając DNA od zanieczyszczeń. Wszelkie pozostałości As z pożywki zostałyby usunięte przez przemycie komórek przed ekstrakcją i przez podzielenie na fazę wodną podczas 3 etapów fenol: chloroform w ekstrakcji. Gdyby As został włączony do lipidu lub białka, podzieliłby się na frakcje fenolu, fenolu: chloroformu lub chloroformu. Dodatkowo DNA ekstrahowane w ten sposób na innych próbkach z powodzeniem wykorzystano w dalszych analizach, w tym w PCR, które wymagają wysoce oczyszczonego DNA.
Arsen mierzony przez NanoSIMS w pasmie żelu jest zgodny z naszymi innymi pomiarami i inną linią dowodową.
Nasz radioznakowany eksperyment 73AsO43- wykazał, że z całkowitego znakowania radioaktywnego związanego z osadem komórkowym 11,0% ± 0,1% było związane z frakcją DNA / RNA. Wskazało to, że powinniśmy oczekiwać arsenianu całkowitej puli związanej z kwasami nukleinowymi. Aby zinterpretować te dane, połączyliśmy naszą interpretację z naszymi dowodami EXAFS sugerującymi, że arsen wewnątrzkomórkowy był związany z C jako As (V) i nie był wolny w roztworze jako jon. Sugeruje to, że As jest, cząsteczka organiczna o odległościach wiązania zgodnych ze środowiskiem chemicznym analogicznym do fosforanu (ryc. 3A, tabela „długości wiązań” S3). Wspierając naszą interpretację wcześniej wspomnianych dwóch analiz, zastosowaliśmy trzecią linię dowodów z NanoSIMS, zupełnie inną technikę niż pozostałe dwie. Znajdujemy arszenik elementarny (mierzony przez NanoSIMS) związany z opaską żelową, która jest ponad dwa razy większa niż tło w żelu. W oparciu o powyższą dyskusję nie uważamy, że jest to uzasadniona obawa.
Pytanie: Inni twierdzili, że DNA związane z arsenianem powinno szybko rozpaść się pod wpływem wody. Czy możesz to rozwiązać?
Odpowiedź:
Nie jesteśmy świadomi żadnych badań dotyczących arsenianu związanego w długołańcuchowych poliestrach lub nukleotydowych di- lub triestrach arsenianu, które byłyby bezpośrednio związane z naszym badaniem. Opublikowane badania wykazały, że proste estry arsenu mają znacznie wyższe szybkości hydrolizy niż estry fosforanowe (1-3). Dotychczasowe eksperymenty dotyczyły w szczególności wymiany lub hydrolizy triestrów alkilowych arsenianu [równ. 1] i diestry alkilowe arseninu [równ. 2]:
OAs (OR) 3 + H2O? OAs (OH) (OR) 2+ ROH [1]
OAs (OH) (OR) 2 + H2O? OAs (OH) 2 (OR) + ROH [2]
gdzie R = metyl, etyl, n-pentyl i izopropyl. Odnośnik 2 wykazał, że szybkości hydrolizy tych prostych triestrów alkilowych arsenianu zmniejszały się wraz ze wzrostem długości łańcucha węglowego (złożoności) podstawnika alkilowego (metyl> etyl> n-pentyl> izopropyl). Nie wykonano żadnej pracy nad szybkościami hydrolizy nukleotydów związanych z arsenianem lub innych biologicznie istotnych ugrupowań.
Jeżeli trend szybkości hydrolitycznej podany w ref. 2 nadal dotyczy substancji organicznych o większej masie, takich jak te znajdujące się w biomolekułach, możliwe jest, że biopolimery połączone z arsenianem mogą być bardziej odporne na hydrolizę, niż wcześniej sądzono. Małe związki modelowe badane w Ref. 1-3 są względnie elastyczne i mogą łatwo przyjąć idealną geometrię dla wody, aby atakować wiązanie arsenoestrowe. Jednak estry arsenianu dużych biocząsteczek mogą być bardziej utrudnione przestrzennie, co prowadzi do niższych szybkości hydrolizy.
Ten rodzaj sterycznego ograniczenia szybkości reakcji odpowiada za szeroki zakres szybkości obserwowanych w zachowaniu niektórych nukleotydów związanych z fosforanem. W małych rybozymach wiązania fosfodiestrowe w miejscu katalizy można hydrolizować kilkadziesiąt sekund (z szybkością chemiczną 1 s-1). To zwiększenie szybkości osiąga się przez zorientowanie wiązania do ataku w linii przez nukleofil (sąsiednia grupa hydroksylowa 2 '). Ponadto wzorce autodegradacji są zgodne ze specyficznym składem podstawowym. Z drugiej strony, szybkości hydrolizy dla wiązań fosfodiestrowych w postaci A dupleksów RNA są o wiele rzędów wielkości wolniejsze, ponieważ te połączenia nie mogą łatwo uzyskać dostępu do geometrii niezbędnej do hydrolizy.
Prędkości w DNA mogą być znacznie wolniejsze niż w modelowych związkach ze względu na ograniczenia geometryczne nałożone na kręgosłup przez helisę.
Kinetyka hydrolizy biopolimerów powiązanych z arsenianem jest wyraźnie obszarem, w którym uzasadnione są dalsze badania.
Pytanie: Czy to możliwe, że sole w pożywce wzrostowej mogły zapewnić wystarczającą ilość fosforu śladowego, aby utrzymać bakterie?
Odpowiedź:
Dane i etykietowanie próbek w tabeli S1 spowodowały pewne zamieszanie. Aby wyjaśnić, dla każdego eksperymentu przygotowano jedną partię sztucznej wody Mono Lake o następującym składzie: sole AML60, brak P, brak As, brak glukozy, brak witamin. Tabela S1 pokazuje przykłady pomiarów ICPMS fosforu elementarnego (~ 3 µM) i arsenianu wykonanych na tym preparacie przed wszelkimi dodatkowymi dodatkami. Następnie dodaliśmy glukozę i witaminy do wszystkich trzech zabiegów oraz do zabiegów + As lub P do zabiegów + P. Pomiary P wykonane na podłożu po dodaniu sacharozy i witamin oraz po dodaniu As były również ~ 3 µM w tej partii. Dlatego jasne było, że każde zmierzone zanieczyszczenie P (~ 3 µM, to był wysoki zakres) pojawiło się wraz z głównymi solami i że wszystkie eksperymenty zawierają identyczne tło P (w tym każde P wprowadzone z inokulą do hodowli).
W pracy naukowej pokazujemy dane z jednego eksperymentu z wielu powtórzonych eksperymentów, które nie wykazują wzrostu komórek w pożywce bez dodanego arsenianu lub fosforanu (ryc. 1). Dane te wyraźnie pokazują, że szczep GFAJ-1 nie był w stanie wykorzystać 3 µM P do wspierania dalszego wzrostu przy braku arsenianu. Co więcej, zawartość wewnątrzkomórkowego P ustalona dla komórek wyhodowanych + As / -P nie była wystarczająca do spełnienia pełnego wymogu P dla funkcji komórkowej.
Uwaga na temat hodowli: Wszystkie eksperymenty rozpoczęto od inokulacji od przedłużonych warunków + As / -P. Przed eksperymentami komórki hodowano długoterminowo przez wiele pokoleń z jednej kolonii hodowanej na stałym podłożu bez dodatku fosforanu. Wcześniej hodowano je jako wzbogacenie dla ponad 10 transferów i zawsze w nowym medium, które było + As / -P. Dlatego uważamy, że P. nie ma znaczącego przeniesienia P. Argumentujemy również, że nie byłoby wystarczającej ilości P komórkowego, aby wspierać dodatkowy wzrost oparty na wewnętrznej puli recyklingu P.
Pytanie: Czy jest coś, co chciałbyś, aby opinia publiczna zrozumiała na temat twoich badań lub procesu naukowego?
Odpowiedź: Dla nas wszystkich, całego naszego zespołu, jak to było, było niewyobrażalne. Jesteśmy grupą naukowców, którzy zebrali się, aby rozwiązać naprawdę interesujący problem. Każdy z nas wykorzystywał nasze talenty, od sprawności technicznej po intelektualną dyskusję, aby obiektywnie ustalić, co dokładnie dzieje się w naszych eksperymentach. W gazecie i prasie swobodnie przyznawaliśmy, że jest wiele, wiele więcej pracy do zrobienia przez nas i całą masę innych naukowców. W konferencji prasowej uczestniczył nawet ekspert techniczny, dr Steven Benner, który wyraził pewne obawy, na które odpowiedzieliśmy powyżej. Jednym z powodów, dla których przynosiliśmy tę pracę do społeczności, było nawiązanie intelektualnych i technicznych połączeń dla dalszej współpracy w celu udzielenia odpowiedzi na wiele długich pytań. Nasze dane były przejrzyste i pokazywały każdy punkt odniesienia oraz interesujący wynik. Wnioski z naszego artykułu oparte są na tym, co uważaliśmy za najbardziej oszczędny sposób interpretacji serii eksperymentów, w których żaden pojedynczy eksperyment nie byłby w stanie odpowiedzieć na wielkie pytanie. „Czy drobnoustrój może wykorzystać arsen zamiast fosforu, aby utrzymać swój wzrost?” Najlepsza nauka otwiera przed nami nowe pytania jako wspólnota i wzbudza zainteresowanie i wyobraźnię ogółu społeczeństwa. Jako komunikatorzy i przedstawiciele nauki uważamy, że wsparcie nowych pomysłów za pomocą danych ma kluczowe znaczenie, ale także generowanie nowych pomysłów dla innych do przemyślenia i wykorzystania ich talentów.
Z niecierpliwością oczekujemy współpracy z innymi naukowcami, bezpośrednio lub poprzez swobodne udostępnianie komórek i dostarczanie próbek DNA odpowiednim ekspertom do ich analiz, aby zapewnić lepszy wgląd w to intrygujące odkrycie.
Bibliografia
1. T. G. Richmond, J. R. Johnson, J. O. Edwards, P. H. Rieger, Aust. J. Chem. 30, 1187 (1977).
2. C. D. Baer, J. Rieger, Inorg. 20, 905 (1981).
3. J.-M. Rzemiosło, Bull. Soc. Chim Ks. 14, 99 (1870).
4. Lagunas, D. Pestana, J. Diez-Masa, Biochemistry 23, 955 (1984).
Źródło: strona internetowa Felisy Wolf-Simon, Iron Lisa
