Arsènic per comptes de fòsfor: el cas de soca halomonadàcia GFAJ-1

Bioquímica: La NASA ha fet un gra massa al voltant d’aquest bacteri halomonadaci GFAJ-1, aïllat del Llac Mono, a Califòrnia. Estratègies com la d’anunciar dilluns una descoberta cabdal sobre cosmobiologia i declarar dijous que es refereix a això és, senzillament, una ensarronada. Quina base ha tingut la NASA per fer aquesta campanya de marquèting? La idea central és que les biomolècules (les molècules que integren els organismes, la matèria viva) són compostes bàsicament de carboni (C), hidrogen (H), nitrogen (N), oxigen (O), sofre (S) i fòsfor (P). Aquests són els bioelements primaris, però també hem d’afegir una sèrie de bioelements secundaris (oligoelements): sodi (Na), potassi (K), magnesi (Mg), calci (Ca), ferro (Fe), iode (I), zinc (Zn), manganès (Mn), coure (Cu), cobalt (Co), molibdè (Mo) o seleni (Se). Maliciosament, hom podria assenyalar els nostres teixits i parlar dels “bioelements terciaris” que se’ns escolen a resultes de la pol·lució (mercuri, Hg; cadmi, Cd; arsènic, As; etc.). De totes formes, els bioelements primaris, CHONPS, no són només els elemens majoritaris sinó que també són els formen estructuralment els anomenats ‘principis actius’: glúcids (sucres o hidrats de carboni), greixos (lípids, olis), proteïnes (enzims, fibrines, etc.) i àcids nucleics. En els glúcids trobem bàsicament C, H i O, tal com és el cas dels lípids. En les proteïnes, a més, hom troba N i S. I en els àcids nucleics, hom troba P. Val a dir que el S de les proteïnes el trobem en aminoàcids com la cisteïna (Cys), però aquesta cisteïna també es pot veure modificada i el S és substituït per Se (selenocisteïna). El cas del P en els àcids nucleics és una mica complex des d’un punt de mira bioquímic. A diferència del C, del N, del O o del S, el P en els organismes vius manté en general el mateix número d’oxidació (no entra en reaccions redox). Què hi ha d’estrany en la soca GFAJ-1? Doncs que, de la mateixa manera que el S de la selenocisteïna és substituït per Se, en el cas de la soca GFAJ-1, l’arsènic (As) pot suplir el fòsfor (P) en l’estructura d’àcids nucleics d’aquest bacteri. Com el P en els àcids nucleics fa més d’esquelet i no pas d’element informatiu, la informació genètica resta inalterada per aquesta modificació. Certament, fins ara, no s’havia detectat mai una substitució del P dels àcids nucleics per un altre element. Semblava que això de l’ADN d’arsènic era una quimera imaginada per alguns cosmobioquímics destrelletats (revisió de Michael Reilly). Ara bé, el bacteri GFAJ-1 no mereix que el motegin de ‘bacteri àlien’ ni de res de semblant. Sigui com sigui, la recerca publicada a Science mereix que ens hi deturem una miqueta.

Un bacteri halomonadaci del llac Mono

La Terra és el planeta dels bacteris. Es calcula que a la Terra hi ha 5•1030 cèl·lules bacterianes i que bona part de la biomassa mundial és bacteriana. A banda de l’abundor, els bacteris tenen un protagonisme central en les reaccions químiques de la biosfera. Un dels grups de bacteris més reeixits, nombrosos i divers, és el dels proteobacteris. Les tècniques modernes de biologia molecular han permès de reconstruir la diversitat dels proteobacteris. Entre els proteobacteris trobem els gammaproteobacteris, i entre aquests hi ha els oceanospiril·lals. Una de les dues famílies dels oceanospiril·lals, són els halomonadacis.

En aquesta família, cal incloure la soca GFAJ-1, aïllada a partir de mostres del llac Mono, a Califòrnia. El llac Mono és un ambient alcalí (pH=10) i hipersalí. Malgrat l’aparent caràcter inert d’aquesta mena de llacs, en realitat és un ecosistema ben productiu. És prou productiu, per exemple, com perquè hi proliferin algues planctòniques que fan que pel mes de març, tot el llac tingui un color verd animós. De la proliferació algal, hi viu un crustaci endèmic, Artemia monica. D’altres insectes (Ephydra hians) proliferen a les vores, i això fa que sigui un lloc de pas profitós per tota una sèrie d’aus migratòries.


El llac Mono

Vista al microscopi electrònic, GFAJ-1 és perfectament homologable als cocobacils més habituals:

La soca en qüestió fou aïllada en mostres preses de sediment del llac Mono el 2009. Utilitzant medis de cultiu apropiats per a microorganismes halòfils-basòfils, reeixiren a cultivar el bacteri en el laboratori. L’estudi genètic serví per incloure la soca en el grup dels halomonadals, on ja s’han descrit diverses espècies de bacteris halòfils.

Les peculiaritats de la soca GFAJ-1

Hem parlat abans de la selenocisteïna, un aminoàcid que mostra com un dels ‘sis biolements principals’ (en aquest cas, el sofre) pot ésser substituït. Ara bé, la selenocisteïna no té la mateixa funcionalitat que la sofrocisteïna. De totes formes, des d’un punt de mira teòric, resulta imaginable que alguns elements puguin substituir aquesta hèxada CHONPS. Això té una rellevància relativa quan reflexionem sobre possibles formes de vida al·lienígena. Al capdavall, CHONPS és la combinació més favorable pel que fa a l’abundor d’aquests elements en l’univers i, particularment, en les superfícies planetàries. La substitució del C pel Si, per bé que interessant des del punt de mira teòric, mostra una sèrie d’obstacles funcionals.

En el seu ecosistema, la soca GFAJ-1 se les ha de veure amb quantitats notables d’arsènic (As). D’altra banda, la disponibilitat de fòsfor (P) és limitada. Sovint, el P és l’element limitant pel creixement bacterià a ecosistemes com el del llac Mono. La soca GFAJ-1 ha desenvolupat una capacitat doblement beneficiosa, la d’incorporar As en àcids nucleics i proteïnes. En primer terme, vehicular l’arsènic cap a àcids nucleics i “arseno-proteïnes” redueix la quantitat efectiva d’arsènic lliure en el citoplasma. En segon terme, la incorporació d’arsènic redueix la necessitat de fòsfor.

No és gens estrany, l’interès despertat per aquest bacteri. En l’article a Science, han col·laborat: Felisa Wolfe-Simon (de la NASA Astrobiology Institute i de l’U.S. Geological Survey del Menlo Park, de Califòrnia), Jodi Switzer Blum, Thomas R. Kulp, Gwyneth W. Gordon (de la School of Earth and Space Exploration, de l’Arizona State University), Shelley E. Hoeft, Jennifer Pett-Ridge, John F. Stolz, Samuel M. Webb (de l’Stanford Synchroton Radiation Lightsource), Peter K. Weber, Paul C. W. Davies, Ariel D. Anbar i Ronald S. Oremland.

Els estudis bioquímics mostren, efectivament, la presència d’arsenat en extractes de cultiu de GFAJ-1. Aquest arsenat es troba en les fraccions corresponents a àcids nucleics i proteïnes. Fet i fet, la concentració d’arsènic en les cèl·lules nadiues de GFAJ-1 és ben elevada (0,2 mM). L’arsenotolerància és un tret que ja s’havia observat en bacteris halomonadals i també en d’altres grups. La toxicitat de l’arsènic es deu sobretot al fet que els òxids d’arsènic (III) reaccionen amb grups –SH de proteïnes, la qual cosa pot afectar un gran nombre d’enzims. Diversos organismes són capaços de metabolitzar l’arsènic en formes relativament menys tòxiques (trimetilarsina, arsenobetaïna). Es calcula que la ingesta diària humana d’arsènic pot trobar-se entre 10-50 micrograms, un nivell d’ingesta que es considera no-tòxic.

En el cas de GFAJ-1, no es tracta de la mera presència d’un contaminant. Els cultius de GFAJ-1 poden crèixer en el laboratori, fins i tot en absència de fòsfor, sempre que aquesta absència es compensi amb presència d’arsènic (40 mM). És a dir que, potencialment, una cèl·lula de GFAJ-1 pot viure amb tota la seva estructura d’àcids nucleics dotada d’un esquelet d’arsènic per comptes de l’esquelet clàssic de fòsfor. Els autors han aconseguit cèl·lules de GFAJ-1 que per cada àtom de P n’han assimilar cinc d’As. Aquestes cèl·lules sobrearsenificades mostren algunes peculiaritats (volum fins a un 50% més elevat del normal) però viuen i es reprodueixen.

No cal dir que s’obren un munt de qüestions. Quins enzims permeten les reaccions de captació i integració d’arsènic als àcids nucleics, als fosfolípids i a les fosfoproteïnes? Quins canvis en la funcionalitat de mononucleòtids, d’ARN i d’ADN produeix aquesta arsenificació? Els autors de la recerca postulen que la manca d’estabilitat dels nucleòtids d’arsènic es compensada per l’acumulació en les cèl·lules de GFAJ-1 de poli-beta-hidroxibutirat (i d’ací l’inflament cel·lular per vacuolització).

Certament, que hi ha implicació cosmobiològiques. L’esquema CHONPS, per exemple, podria ser massa senzill per explicar la diversitat potencial d’organismes vivents. També GFAJ-1 és el primer microorganisme conegut que podria viure en absència completa de fòsfor. Ara bé, que alguns organismes vivents puguins substituir l’arsènic pel fòsfor no fa que augmenti o disminueixi gaire el nostre còmput sobre les probabilitats que un planeta típic sigui o no habitat.

Aquesta entrada ha esta publicada en General. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *

Aquest lloc utilitza Akismet per reduir el correu brossa. Aprendre com la informació del vostre comentari és processada