Amikor az arzén életet ad

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

33 thoughts on “Amikor az arzén életet ad

  1. karcsi

    köszi az írást! mindenképp érdekes felfedezés, de mi köze van a földönkívüli élethez vagy asztrobiológiához? főleg hogy rég meg volt jósolva… mindegy, legalább ma kevesebb szó volt a megánnyugdíjpénztárról meg a wikileaksről 🙂

    Reply
  2. Gabrika

    meglepett engem az, hogy e hírt nem úgy fogadják és tálalják, mint az eddigi elméletekben szereplők valós megtestesülése

    réges rég volt már, hogy Gánti Tibor írásait olvastam, de azóta sem találtam tisztább definíciót az ‘élet’-re, mint a kemotonelmélete.

    S hogy mennyi különböző megvalósulása lehet egy kemotonnak, azt úgy véltem eddig már sokan modellezték, de talán tévedtem. Ez most egy másik verzió, de csak kicsit más.

    Reply
  3. Ismeretlen_10065

    @karcsi: Annyi köze van asztrobiológiához, hogy most már nyilvánvaló, a foszfor nem szükséges feltétele az életnek. Pontosabban, az életnek, ahogy mi ismerjük, mert igazából nagyon elképzelni sem tudjuk, milyen lehet a nem ilyen alapú élet. Majd ha meglesz, retrospektíven tuti evidens lesz, hogy mit kellett keresni, de most nem az.

    @Gabrika: De ez miért chemoton-elmélet? Ez a baktérium tök olyan, mint minden más leszámítva, hogy ha szűkös a foszfor készket, arzént is tud használni.

    Reply
  4. fuhur

    Az hogy nem arzenofil a baci az azt jelenti, hogy foszfor gazdag környezetben lecseréli (vagy visszacseréli) az arzént foszforra. A DNS-ben is elképzelhető ez?

    Reply
  5. Ismeretlen_10065

    Ez nem nyilvánvaló a cikkből (majd a kristályszerkezet árulja el), de valszleg igen: ha van elég foszfor, azt épít be a DNS-be is.

    Reply
  6. majom

    ritka egy szolgalelkű blog ez 😀

    ha valaki ilyet mert volna 3 nappal ezelőtt állítani hogy arzén lehet a dns-ben, akkor szép nagy cikkek születtek volna itt, ezen a szolgalelkű, ostoba blogon, hogy mekkora hülye és tudománytalan és ostoba és műveletlen és satöbbi aki ilyet mer állítani

    most meg szajkózzátok az új eredményket :D:D:D mintha mi sem történt volna :D:D:D

    Reply
  7. A.

    Szia dolphin! Van egy kerdesem. Kicsit offtopic, de kiváncsi vagyok a véleményedre. A cikkben az arzénre, mint biogén molekulára hivatkozol. Később az írod, hogy “Az arzén és a foszfor ugyanis rokon vegyületek”. Ez ellentétes azzal, amit gimnáziumi kémiaóránkon a szó és fogalomhasználatról tanultunk. Tehát hogy egy elem pl. nem vegyület. Itt fogalmazásbeli lazaságról van szó, vagy a biológus és kémikus expertek ezt így használják?

    A cikk egyébként remek, számomra új, érdekes részleteket árult el a hírről, amit sajnos pl. az index hírből nem lehetett kibogozni. Köszi!

    Reply
  8. Gabrika

    szerintem pl. a chemoton elméletből következik, hogy nagyon sok különböző megvalósulása lehet azoknak a kémiai automatáknak, amelyek a definíció szerint élnek

    ez most egy példa

    Reply
  9. Ismeretlen_154044

    @majom:
    Ha valaki olyat ír, 3 nappal ezelőtt, hogy “arzén lehet a dns-ben” akkor alig hinném, hogy kineveti az az itteni, vagy bármely más tudományos közösség.

    De ha tudsz ilyen esetről, gyorsan elő vele, mert az elmúlt pár évben megjelentek a témában tanulmányok és cikkek.

    http://www.astrobio.net/index.php?option=com_expedition&task=detail&id=3259

    http://www.ironlisa.com/Oremland_etal_GeomicroJournal2009.pdf

    http://precedings.nature.com/documents/1482/version/1/files/npre20081482-1.pdf

    Biztos találsz bármelyikre egy számodra kellően “szolgalelkű” lekicsinylő megjegyzést, de akkor azt neked kell előásnod.

    Hogy milyen cikkek jelenhettek VOLNA meg, azon meg igazán felesleges rugózni.
    Ha valaki mégis ezt teszi, az viszont nyugodtan kinevethető szerintem.

    Te is megírhattad VOLNA az itt idézett tanulmányt,valamiért mégse tetted.

    Reply
  10. András

    Bár nem olvastam az eredetit, és a magyarázó írásokból is keveset, azért a kísérletsorozat csak azt bizonyítja, hogy ezek a baktériukok in vitro arzenátot is képesek felhasználni. Azt nem, hogy a természetböl izoláltak arzént használnak. Az is érdekelne, hogy az arzénes táptalajon mennyire stabil a kultúra, tartósan megmaradnak-e, vagy egy idö után bedölnek. El tudom ugyanis képzelni, hogy kényszerböl mindenhova beépítik az arzént, aztán kipurcannak, mert a dolog mégsem müködik olyan jól. Bár mondjuk a 480 óra soknak tünik, de nem igazán nagyon. Majd ha fél év után a 40 mM-os arzéntápcsiból is ki lehet öket izolálni, akkor majd azt mondom: hmm, nem rossz. Mert bármennyire is hasonlít egymásra a P meg az As, azért a legnagyobb baj vele, hogy különbözö méretüek, ami mind a DNS, mind pedig a fehérjék esetében igencsak szét tudja cseszni a térszerkezetet.

    Reply
  11. Horizont

    Bizony, nem is értem, miért nincs nagyobb hangja a szkepticitásnak, én műhibára gyanakszom, vagy félrevezetés. Egyszerűen nem hiszem el, hogy a DNS-ben minden P helyettesítve van, és létképes, szaporodik, bizony, a méret, a kötéserősség, de akár a kötésszögek is másak lehetnek, egy makromolekulánál ezek összeadódnak, és máris romokban a konformáció, kezelhetetlen az enzimek számára, ha csak a nukleotid, távolság más kicsit, egy nagyobb protein olyan hatásfokkal kapcsolódik, mintha néhány MHz-el arrébb hallgatnánk a Danubius rádiót, mint ahol sugároz. Kis változás tolerálható megnövelt flexibilitású enzimekkel,de ez a hatékonyság rovására megy. Ez az ára annak, hogy P-al és As-nal is megy a reakció. Ez OK a kisebb szubsztátoknál, vagy fehérjéknél, lipideknél, ahol egy molekulára max. 1-2 P-atom jut, de nem a DNS-nél, már bocs. Ilyen mértékű tolerancia túl nagy luxus lenne, és erősebb baci kefél alapon, hacsak nem stabil az As jelenlét korszakokon keresztül, a sima csakP létforma kiszorítaná hősünket a palettáról. Ami még elképzelhető, hogy alternatív enzimrendszere fejlődött mely P hiányában As jelenléte esetén expresszálódik és rossz hatékonysággal de eldöcög, főleg ha minden konkurencia kihalt körülötte. Talán ez már sci-fi lenne… vagy a valóság?? Kíváncsian várom!

    Reply
  12. Kupac

    @Horizont: Oké, hogy sokkal kevésbé hatékony, de itt olyan környezetről beszélünk, ahol más szervezetek csak vegetálnak, vagy túl sem élnek. Ha a baci ilyen körülmények között milliószor lassabban osztódik, mint normális környezetében, akkor is evolúciós előnyben van a többiekhez képest, mert azok halnak meg. Úgy is mondhatnánk: ráér.

    Reply
  13. Horizont

    Az az észbon-tó ott Kaliforniában mennyire régóta és stabilan arzénos? A Mal iszaptárolójában vajon még nem nőtt ki semmi extremofil cucc?

    Reply
  14. Mikron

    @Horizont: az nem bizonyított, hogy minden foszforatom arzénra cserélödik. Hosszas arzénos tenyésztés után is mutattak ki foszfort a bacikból, de csak nagyon kis mennyiségeket. Azt szintén nem állítják, hogy az arzén veszi át teljesen a foszfátok szerepét a DNS vázban, csak azt mondják, hogy a DNS-ben arzén van. Hogy egyébként hogy képes így müködni, azt kb 20-30 év múlva tudni fogjuk addig lehet találgatni 🙂

    A következö cikket egyébként februárra ígérték a témában, uh van anyaguk böven.

    Reply
  15. Rive

    @Horizont: ezzel kapcsolatban/párhuzamosan engem pl. nagyon érdekelne, hogy a fémbánya-meddőhányókban kialakuló extremofil izék mennyire egyformák szerte a világban? ‘Helyi termék’ mind, egyéni jellegzetességekkel, vagy van valami általános baci, ami mindenütt jelen van, és megfelelő körülmények között elterjed?

    Reply
  16. Ismeretlen_37303

    Azért az érdekelne, hogy az ATP és az ATAs energiatartalma miként aránylik egymáshoz és ezzel mit kezd ez a cuki baci.

    Reply
  17. Ismeretlen_10065

    @Mikron: Köszi a linket. Főleg az eleje elég meggyőző, nekem tökre elkerülte a figyelmemet a sejszám-változás nélküli OD növekedés, meg az Y tengellyel való trükközés. Lesz mit figyelni legalább a follow-up cikkben.

    Reply
  18. Kupac

    Az az OD növekedés lehet amiatt is, hogy az arzénos csoportban a bacik erősen vakuolizálódtak, és a méretük is megnőtt. Simán lehet hogy megnőtt a fajlagos OD-jük emiatt. Engem jobban aggasztanak a DNS tisztítás hanyagságai, azt hittem egy ilyen folyóiratban, egy ilyen jelentőségű cikknél ezekre a dolgokra komolyabb figyelmet fordítanak. Lehet, hogy tévedtem :-/

    Természetesen egy kísérlet nem kísérlet, egy cikk nem cikk. További vizsgálatok, független csoportok megerősítő kísérletei után lesz csak ez tényleg alapmű. Ejj, de kár lenne érte 🙁

    Reply
  19. Greguss Pál

    http://rrresearch.blogspot.com/2010/12/arsenic-associated-bacteria-nasas.html
    Úgy néz ki, hogy fogalmazódik a tudományos kételkedés hangja a Science-nek címezve is!
    Sok értelmes komment is van.
    A leggyengébb csúnyának tűnik, de lehet, hogy van benne valami, a tudósok is emberek:
    Anonymous said…
    Paul Davies (co-author on the arsenic paper) has stated that GFAJ-1 stands for “Give Felisa A Job”. Even though this was likely meant as a cutesy gesture, doesn’t it strike you as a bit fishy? If you have seen any of the recorded interviews with this women, you would be struck by the self-aggrandizing and overly sensationalistic way in which she presents the work. As a scientist, I find all of this a bit worrisome. Some of the criticisms presented here further strengthen my belief that their case is being overstated.

    “Give Felisa A Job”. – 1 ???????
    Talán mégis Sokal?

    Reply
  20. Ismeretlen_10065

    @Kupac: Köszi, ez eléggé kegyetlen.

    @Greguss Pál: A csaj kétségkívül nem az, akit szívesen választanék sörözőpartnernek. A NASA sajtótájékoztatón eléggé fényezte magát, meg az egész beszédstílusa is pont az, ami engem irritálni szokott. DE, ez rólam szól elsősorban, mit szeretek és mit nem. Ismerek más kutatót is, a szakterületemen, akit finoman szólva is a “socially awkward” kifejezéssel tudnék leírni, de kutatóként tényleg zseniális.

    Sokal: hát nem hiszem, hogy a NASA tudtával ilyesmit csinálnának. És azt sem, hogy a NASA tudta nélkül ilyent mernének. Ha ugyanis kiderülne, hogy ez az egész egy szándékos átverés, a csaj Amerikában soha nem fog állást ill. grantet kapni, az eléggé borítékolható. Azt inkább elhiszem, hogy a csaj annyira “érezte”, hogy mi kell kijöjjön, hogy néhány részlettől eltekintett (végül is saját As-az-élet-kezdetekor elméletéhez keresett bizonyítékot), a Science meg annyira szeretett volna egy PR-scoopot, hogy eltekintettek a rigorózus peer-reviewtól. Ugyanakkor, utóbbi kapcsán említsük meg, hogy 1.) a cikk még nem jött ki printben, és ha sok kérdés felmerül, lehet, hogy szerkesztőségi döntésként nem is fog, 2.) az eheti számban viszont benne levő összefoglalóba azért (óvatosságból ?) bele tettek több szkeptikust is.

    Reply
  21. kikuchiyo

    A beidézett bírálatok alapján egyre valószínűbb, hogy a cikk legtöbb állítása nem állja meg a helyét (és akkor még finom voltam). Ez önmagában még nem lenne rendkívüli esemény, nem egyszer előfordult már, hogy egy kutató a kritikák hatására kénytelen volt visszavonni az eredményeit. Közhelyesen: a tudomány így működik.

    Azzal a médiafelhajtással együtt, amit a NASA az egész köré szervezett, a cikk esetleges hibás volta már problémásabbnak látszik. Az embargó és a szenzációhajhász eredeti bejelentés alapján a fél internet azt spekulálta, hogy a bejelentés témája: Obama valójában a Titánon született, vagy nem is tudom. Ehhez képest az arzénos téma meglehetősen érdektelen a nagyközönségnek, annak ellenére, hogy a szakmabeliek számára érdekes lenne, ha igaz lenne. Ha viszont kiderül, hogy nem igaz (hát még ennyi sem igaz, kérdezik majd az újságírók), az eléggé rossz színben fogja feltüntetni az egész tudományt, mondjanak akármit a szakbloggerek.

    Igazából már a sajtótájékoztató bejelentésekor volt egy rossz érzésem. Megfigyeltem, hogy ha egy tudományos eredményt így, közvetlenül a médián keresztül jelentenek be, az szinte mindig azt jelenti, hogy az az eredmény a legjobb esetben is gyanús, de általában tévedésnek is szokott bizonyulni.

    Félig személyes élmény: az egyik évfolyamtársamat a melldöngetéssel kísért sajtótájékoztató után, miszerint felfedezték az első magyar exobolygót!!!1, hetekig hívogatták a tévétől-rádiótól, addig, amíg ki nem derült, hogy nem is igaz a hír, mert a felfedezett exobolygó nem létezik.

    Reply
  22. csibu

    Ó, épp be akartam linkelni az rrresearch kritikáját, de látom, megelőztek. Nekem nagyon kamuszagú volt a dolog a bejelentéskor, de mivel még mindig nem olvastam az Science cikket (Dolphin, át tudod küldeni? Taknyos a gyerek. Köszi!), inkább maradtam csöndben. Azóta a holland tévében volt riport a csoport holland tagjaival, akik elkotyogták, hogy ismét kevés a pénzük, szóval nem csodálom, hogy nagyra fújták a lufit.

    Reply

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail-címet nem tesszük közzé.