02 diciembre, 2010

Se identifica una bacteria que puede reemplazar el fósforo por el arsénico

Hasta hoy creí que el trabajo realizado por Craig Venter era lo más resaltante del año en el ámbito de las ciencias de la vida; sin embargo, el artículo que salió publicado hoy en Science es para mí uno de los descubrimientos más sobresalientes de la historia de la biología, tal vez comparado con la revelación de la estructura del ADN en 1953 o el secuenciamiento del genoma humano en el 2001. Esto debido a las profundas implicancias que traerá consigo en la evolución de la vida.

Desde el colegio nos enseñaron que la vida se rige principalmente en 6 átomos elementales: carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre; ya que con ellos podemos construir todas las biomoléculas que componen a un organismo vivo. El fósforo forma parte importante de las moléculas que componen las membranas celulares o citoplasmáticas (fosfolípidos), también de muchas proteínas y enzimas (kinasas, fosfolipasas), intermediarios de los azúcares de vías metabólicas tan importantes como la glucólisis, así como de moléculas que almacenan o transportan energía en sus enlaces (ATP, NADP+, FADP+), y sin dejar de lado a la base de la información genética, el ADN.

Teóricamente, algunos átomos que forman parte de muchas biomoléculas pueden ser reemplazados por átomos análogos, por ejemplo: en los moluscos e insectos es el cobre y no el hierro quien transporta el oxígeno en su sangre, otro trabajos han demostrado que se pueden cambiar ciertos cofactores como el molíbdeno y zinc por tungsteno y cadmio, respectivamente.

atomosEl arsénico es un análogo del fósforo, está ubicado justo debajo de él dentro de la tabla periódica. Además, poseen un radio atómico similar y una electronegatividad casi idéntica. La forma del fósforo biológicamente activa es el fosfato (PO43-), cuyo análogo es el arsenato (AsO43-). Fisicoquímicamente, las dos moléculas se comportan de la misma manera en un ser vivo, es por esta razón que el arsénico es un elemento sumamente tóxico, ya que reemplaza al fósforo en los primeros pasos de muchas vías metabólicas, pero en pasos avanzados ya no puede ser compatible debido a las diferencias en sus reactividades: las biomoléculas del fósforo son mucho más estables que las de arsénico. Pero, si se encuentra un ser vivo capaz de lidiar con este problema, ¿sería capaz de usar el arsénico en vez del fósforo?. Esta pregunta fue resuelta por un grupo de investigadores norteamericanos del Instituto de Astrobiología de la NASA, liderados por la Dra. Felisa Wolfe-Simon.

Lo que hicieron Wolfe-Simon et al. para probar su hipótesis fue ir al Lago Mono en California a recoger muestras de microorganismos. Este lago es extremadamente salino y alcalino, su pH es superior a 9 y posee altas concentraciones de arsénico disuelto (~200uM). Luego, colectaron una muestra del sedimento del lago y lo llevaron al laboratorio para usarlo como inóculo.

Prepararon medios de cultivo compuesto de glucosa (nutriente), vitaminas, algunos metales (cofactores de enzimas), diferentes concentraciones de arsenato (100uM a 5mM), pH de 9.8, pero nada de fosfatos ni otros suplementos orgánicos comúnmente usados en un medio de cultivo (extracto de levadura o peptona). Inocularon las muestras de sedimentos y esperaron enfocándose en el medio de cultivo con 5mM de arsenato y vieron que empezaron a crecer colonias de microorganismos. Esas colonias fueron separadas en placas petri con medio de cultivo nuevo. Una vez aislados procedieron a determinar sus tasas de crecimiento con fósforo y sin fósforo y luego procedieron a secuenciar una región de su ADN para ver a que especie correspondía.

Los análisis genéticos demostraron que era miembro de la familia Halomonadaceae, a la cual nombraron GFAJ-1. A pesar que la tasa de crecimiento fue mayor usando fosfato que arsenato, los científicos demostraron que la bacteria podía crecer sólo con arsenato. Sin embargo, cuando midieron las concentraciones basales de fosfatos en el medio con arsenato, esta era de 3.1uM, debido a las impurezas de los reactivos. Entonces pensaron que tal vez el crecimiento se debía a esta pequeña cantidad de fosfatos en el medio. Pero, al hacer cultivos sin fosfato ni arsenato, observaron que no hubo crecimiento, con esto demostraron que las bacterias en el medio con arsenato, no crecían gracias a las trazas de fosfato encontradas en el medio.

Luego procedieron a ver como eran morfológicamente y si había alguna diferencia entre las que crecían con fosfato y las que crecían con arsenato. Tras verlas bajo el microscopio electrónico, observaron que las bacterias que crecían con arsenato (C) era ligeramente más grandes, con un volumen intracelular 1.5 veces mayor que las que crecían en fosfato (D), esto se debía a que tenían una estructura tipo vacuola muy grande dentro de ellas (E).

bacterias_arsenato

Ahora, el siguiente paso era saber a cuánto y dónde estaba el arsénico dentro de las bacterias. Para esto usaron técnicas cuantitativas avanzadas como la ICP-MS (una variante de la espectrometría de masas). Con este equipo determinaron que el arsénico correspondía al ~0.2% del peso seco de la bacteria, mientras que el fosfato sólo el 0.02% en bacterias que crecieron arsenato, comparado con el ~0.54% en las bacterias que crecieron con fosfato. Los investigadores creen que la concentración de arsénico debe ser mayor ya que, debido a su inestabilidad, pudo haberse perdido durante las centrifugaciones y lavados.

Luego, para saber donde estaba el arsénico usaron el arsenato marcado con un isótopo radiactivo del arsénico (73AsO43-). Los científicos encontraron radiactividad en proteínas (~75%), pequeños metabolitos y lípidos (una muy pequeña fracción), y ADN (~10%). Entonces, para ver si el ADN estaba conformado por arsénico en vez de fósforo hicieron unos pequeños cálculos: (un poco de matemáticas)

El genoma de GFAJ-1 tiene 3.8 millones de pares de base, o sea, ~7.5x106 átomos de fósforo que es igual a 12.5x10-8 moles de fósforo, los cuales pesarían unos 0.39fg. La bacteria tenía un total de 9fg de fósforo, por lo tanto, aproximadamente sólo el ~4% del total del fósforo esta asociado al ADN.


OJO: No se considera el ARN porque las bacterias fueron colectadas en la fase estacionaria, donde la expresión de los genes se reduce al mínimo, sólo los genes esenciales se expresan.

 

Entonces, si el arsenato reemplaza al fosfato en el ADN, deberíamos encontrar casi las mismas fracciones y según los resultados de los investigadores, son consistentes con las estimaciones. El ADN de la bacteria estaba hecho de arsénico!

Además, como el arsenato cumple la función del fosfato, sería lógico pensar en encontrar arsénico en moléculas elementales como en la proteínas fosforiladas, NADH, ATP, Acetil CoA y otros intermediarios de las vías metabólicas; si bien no se ha demostrado esto, la presencia de arsénico en el ADN es una prueba suficiente para pensar que también las otras moléculas han reemplazado al fósforo por el arsénico.

Para corroborar la presencia de arsénico en el ADN, los investigadores extrajeron el ADN de las bacterias y lo purificaron en un gel de electroforesis para analizarlo por el ICP-MS. Los resultados mostraron que la mayor proporción del ADN estaba compuesto de arsénico en las bacterias que crecieron con arsenato.

Finalmente, caracterizaron químicamente al arsénico presente en las bacterias usando un sincrotrón de rayos X, que usa un acelerador de partículas para generar rayos X y con estos analizar los enlaces químicos y sus distancias en base a la absorción de la radiación o la desviación de los mismos, ya que cada enlace y cada estado químico afecta de una manera singular a los rayos X. De esta manera identificaron que el estado de oxidación del arsénico era de +5 [As(V)] y no encontraron rastros de As(III). Además, las distancias de los enlaces de As-O y As-C fueron consistentes con las distancias obtenidas en la estructura cristalina del ADN. Esto quiere decir que, en base a los datos obtenidos con lo rayos X, la disposición del arsénico en la armazón del ADN es igual a la disposición encontrada normalmente de los grupos fosfato. Así que, esto aumenta las probabilidades de que otras biomoléculas también usen el arsénico en vez del fósforo.

Como conclusión, la cepa GFAJ-1, crece normalmente con fosfato, hasta lo hace mejor que con arsénico, pero de alguna manera puede lidiar con la reactividad del arsénico y usarlo en vez del fósforo para formar las biomoléculas elementales que le permiten vivir normalmente. Tal vez la clave sea esa gran estructura tipo vacuola, la cual es rica en poli-β-hidroxibutirato quien forma un ambiente no acuoso donde los enlaces O-As(V)-C sean mucho más estables.

Las implicancias de este trabajo son enormes, imagínense saber que un organismo puede vivir con un elemento considerado sumamente tóxico, reemplazando a un elemento esencial. Tal vez otras condiciones ambientales puedan promover el uso de otros átomos análogos para formar organismos vivos, esto incrementa las posibilidades de encontrar vida fuera de nuestro planeta, tal vez sin ser similar a la nuestra, sino compuesta por otros elementos químicos. Aún no comprendemos como funciona la vida en la Tierra, hasta que eso suceda, no podremos entender la vida fuera de nuestro planeta, porque estoy seguro que la hay.

Referencia:

ResearchBlogging.orgWolfe-Simon, F., Blum, J., Kulp, T., Gordon, G., Hoeft, S., Pett-Ridge, J., Stolz, J., Webb, S., Weber, P., Davies, P., Anbar, A., & Oremland, R. (2010). A Bacterium That Can Grow by Using Arsenic Instead of Phosphorus Science DOI: 10.1126/science.1197258

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