Wissenschaftler von Arsenic Bacteria Paper reagieren auf Kritik

Die Gegenreaktion aus dem am 2. Dezember veröffentlichten Artikel „Arsen Life“ ist noch nicht abgeschlossen. Ein Teil der Kritik bezog sich auf die Wissenschaft, während viel mehr Kritik auf die Berichterstattung über die Nachrichten gerichtet war und auch darauf, wie die NASA die Öffentlichkeit mit den Worten "Astrobiologie" und "außerirdisches Leben" einführte oder mit Nachrichten "neckte" Ankündigung einer bevorstehenden Pressekonferenz. Auf der Konferenz der American Geophysical Union hat heute einer der Teamwissenschaftler, Ron Oremland, die Auswirkungen der Berichterstattung besprochen, und ich werde in Kürze einen Überblick darüber geben. Etwa zur gleichen Zeit veröffentlichte das Wissenschaftsteam eine Erklärung und einige häufig gestellte Fragen zum Wissenschaftspapier. Nachfolgend finden Sie diese Erklärung und die Informationen, die das Wissenschaftsteam bereitgestellt hat.

Antwort auf Fragen zum wissenschaftlichen Artikel „Ein Bakterium, das durch Verwendung von Arsen anstelle von Phosphor wachsen kann“

-Am 16. Dezember 2010-

Ein Forschungsartikel, der am 2. Dezember 2010 von der Zeitschrift Science veröffentlicht wurde, lieferte mehrere Beweislinien, die zusammengenommen darauf hinweisen, dass ein aus dem kalifornischen Mono Lake isoliertes Bakterium einen kleinen Prozentsatz seines Phosphors durch Arsen ersetzen und sein Wachstum aufrechterhalten kann.

Dieser Befund war überraschend, da sechs Elemente – Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Schwefel und Phosphor – die meisten organischen Moleküle in lebender Materie ausmachen, einschließlich Nukleinsäuren, Proteinen und Lipiden. Wissenschaftler, die nicht zum Forschungsteam gehören, haben daher entsprechend herausfordernde Fragen zur Forschung gestellt.

Ein Hauptzweck der wissenschaftlichen Veröffentlichung ist es, die Wissenschaft voranzutreiben, indem interessante Daten präsentiert und überprüfbare Hypothesen vorgeschlagen werden. Verständlicherweise führen die überraschendsten Ergebnisse dazu, dass die wissenschaftliche Gemeinschaft am intensivsten reagiert und untersucht wird. Antworten nach der Veröffentlichung auf die ursprüngliche Forschung und Bemühungen, die Ergebnisse zu testen und zu replizieren, insbesondere in Fällen unerwarteter Ergebnisse, sind ein wesentlicher Mechanismus für die Weiterentwicklung wissenschaftlicher Erkenntnisse.

Wissenschaftsredakteure haben jetzt eine Reihe von technischen Kommentaren und Briefen erhalten, die auf den Artikel „Ein Bakterium, das durch die Verwendung von Arsen anstelle von Phosphor wachsen kann“ von Felisa Wolfe-Simon und Kollegen antworten. Die Kommentare und Antworten werden überprüft und in einer zukünftigen Ausgabe von Science veröffentlicht.

Um das Verständnis der Öffentlichkeit für die Arbeit zu fördern, wurden der Forschungsartikel und eine verwandte Nachricht für den nächsten Monat über die Science-Website der Öffentlichkeit frei zugänglich gemacht. Diese Artikel finden Sie online hier:

Das Wolfe-Simon-Team vermutete, dass einige Bakterien möglicherweise Arsen verwenden oder eine Substitution von Phosphor in organischen Molekülen tolerieren könnten, sammelte Mikroben aus dem arsenreichen Mono Lake und entwöhnte sie dann allmählich von Phosphor und fütterte sie stattdessen mit Arsen. Das Team hat berichtet, dass es Schritte unternommen hat, um eine Phosphorkontamination auszuschließen. Sie kamen zu dem Schluss, dass ihre Beweise darauf hinwiesen, dass Arsen einen kleinen Prozentsatz des Phosphors in ihrer DNA ersetzt hatte.

Die Autoren haben verschiedene Arten von Beweisen beschrieben, darunter:

* Induktiv gekoppelte Plasmamassenspektrometrie.

Die Autoren berichteten, dass diese Ergebnisse zeigten, dass sich Arsen in Bakterienzellen befand, was darauf hindeutete, dass es sich nicht nur um eine Verunreinigung handelte, die an der Außenseite der Zellen haftete.

* Radioaktive Markierung von Arsen.

Das Team von Wolfe-Simon sagte, dass diese Beweise es ihnen ermöglichten, die normalerweise toxische Substanz in den Protein-, Lipid-, Nukleinsäure- und Metabolitenfraktionen der Zellen zu erkennen, was darauf hindeutet, dass sie in Moleküle aufgenommen wurde, die jede Fraktion bilden.

* Hochauflösende Sekundärionen-Massenspektrometrie der DNA, nachdem sie von den Bakterien getrennt wurde.

Die Autoren berichteten, dass diese Beweise darauf hindeuteten, dass die isolierte DNA immer noch Arsen enthielt.

* Hochintensive (Synchrotron) Röntgenanalyse.

Basierend auf diesen Beweisen kamen die Autoren zu dem Schluss, dass Arsen in den Bakterien Phosphate in DNA und anderen Molekülen zu ersetzen schien.

Fragen zu den Ergebnissen konzentrierten sich tendenziell darauf, ob die Bakterien tatsächlich Arsen in die DNA eingebaut hatten und ob die Mikroben den Phosphorverbrauch vollständig eingestellt hatten. Während das Team Fragen lieber in einem Peer-Review-Verfahren beantwortet, haben Felisa Wolfe-Simon und Ron Oremland hier als öffentlicher Dienst einige zusätzliche Informationen bereitgestellt und ihre Daten und Verfahren geklärt. Die Wissenschaft betont, dass diese Antworten nicht von Experten begutachtet wurden. Sie werden im Namen der Autoren nur als öffentlicher Informationsdienst bereitgestellt, während die formellere Überprüfung ihrer Antworten auf an Science gesendete Kommentare fortgesetzt wird.

Vorläufige Fragen und Antworten

Frage: Einige Leute haben gefragt, ob die DNA durch Ihre Technik mittels Gelelektrophorese ausreichend gereinigt wurde, um sie von anderen Molekülen zu trennen. Halten Sie dies für ein berechtigtes Anliegen?

Antworten:

Unser DNA-Extraktions- und Reinigungsprotokoll beginnt mit gewaschenen Zellen, die aus Medien pelletiert wurden. Diese werden dann einem Standard-DNA-Extraktionsprotokoll unterzogen, das mehrere Phenol-Chloroform-Schritte zur Entfernung von Verunreinigungen, einschließlich nicht inkorporiertem Arsenat (As), umfasste. Danach wurde die DNA elektrophoretisch aufgetrennt, wodurch die DNA weiter von Verunreinigungen getrennt wurde. Jegliches restliche As aus dem Medium wäre durch Waschen der Zellen vor der Extraktion und durch Verteilen in die wässrige Phase während der 3 Phenol: Chloroform-Schritte bei der Extraktion entfernt worden. Wenn As in ein Lipid oder Protein eingebaut worden wäre, hätte es sich in die Phenol-, Phenol: Chloroform- oder Chloroform-Fraktionen aufgeteilt. Zusätzlich wurde auf diese Weise an anderen Proben extrahierte DNA auch erfolgreich in weiteren Analysen, einschließlich PCR, verwendet, die hochgereinigte DNA erfordern.

Das von NanoSIMS im Gelband gemessene Arsen stimmt mit unseren anderen Messungen und einer anderen Beweislinie überein.

Unser radioaktiv markiertes 73AsO43-Experiment zeigte, dass von der gesamten radioaktiven Markierung, die mit dem Zellpellet assoziiert ist, 11,0% ± 0,1% mit der DNA / RNA-Fraktion assoziiert waren. Dies deutete darauf hin, dass wir etwas Arsenat des gesamten Pools erwarten sollten, der mit den Nukleinsäuren assoziiert ist. Um diese Daten zu interpretieren, haben wir unsere Interpretation mit unseren EXAFS-Beweisen gekoppelt, die darauf hindeuten, dass intrazelluläres Arsen As (V) an C gebunden war und in Lösung als Ion nicht frei war. Dies deutet darauf hin, dass As as in ein organisches Molekül mit Bindungsabständen ist, das mit einer chemischen Umgebung analog zu Phosphat übereinstimmt (Abb. 3A, S3 Tabelle „Bindungslängen“). Um unsere Interpretation der beiden zuvor genannten Analysen weiter zu unterstützen, verwendeten wir eine dritte Beweislinie von NanoSIMS, eine völlig andere Technik als die beiden anderen. Wir finden elementares Arsen (gemessen mit NanoSIMS) in Verbindung mit der Gelbande, die mehr als das Zweifache des Hintergrunds im Gel beträgt. Aufgrund der obigen Diskussion halten wir dies nicht für ein berechtigtes Anliegen.

Frage: Andere haben argumentiert, dass mit Arsenat verknüpfte DNA bei Kontakt mit Wasser schnell auseinanderfallen sollte. Könnten Sie das ansprechen?

Antworten:

Uns sind keine Studien bekannt, die sich mit Arsenat befassen, das in langkettigen Polyestern oder Nucleotiddi- oder -triestern von Arsenat gebunden ist und für unsere Studie direkt relevant wäre. Veröffentlichte Studien haben gezeigt, dass einfache Arsenester viel höhere Hydrolyseraten aufweisen als Phosphatester (1-3). Die bisher veröffentlichten Experimente haben sich speziell mit dem Austausch oder der Hydrolyse von Alkyltriestern von Arsenat befasst [Gl. 1] und Alkyldiester von Arsenit [Gl. 2]:

OAs (OR) 3 + H 2 O? OAs (OH) (OR) 2+ ROH [1]

OAs (OH) (OR) 2 + H 2 O? OAs (OH) 2 (OR) + ROH [2]

wobei R = Methyl, Ethyl, n-Pentyl und Isopropyl. Referenz 2 zeigte, dass die Hydrolysegeschwindigkeiten für diese einfachen Alkyltriester von Arsenat mit zunehmender Kohlenstoffkettenlänge (Komplexität) des Alkylsubstituenten (Methyl> Ethyl> n-Pentyl> Isopropyl) abnahmen. Es wurden keine Arbeiten zu den Hydrolyseraten von Arsenat-verknüpften Nukleotiden oder anderen biologisch relevanten Einheiten durchgeführt.

Wenn der in Lit. 2 weiterhin organische Stoffe mit größerem Gewicht, wie sie in Biomolekülen vorkommen, ist es denkbar, dass arsenatgebundene Biopolymere gegenüber Hydrolyse resistenter sind als bisher angenommen. Die in Lit. 1 untersuchten kleinen Modellverbindungen. 1-3 sind relativ flexibel und können leicht die ideale Geometrie für Wasser annehmen, um die Arsen-Ester-Bindung anzugreifen. Arsenatester großer Biomoleküle sind jedoch wahrscheinlich sterisch stärker behindert, was zu langsameren Hydrolyseraten führt.

Diese Art der sterischen Beschränkung der Reaktionsgeschwindigkeit erklärt den weiten Bereich von Geschwindigkeiten, der im Verhalten einiger phosphatgebundener Nukleotide beobachtet wird. In kleinen Ribozymen können die Phophodiesterbindungen am Ort der Katalyse in der Größenordnung von zehn Sekunden (mit einer chemischen Geschwindigkeit von 1 s-1) hydrolysiert werden. Diese Geschwindigkeitssteigerung wird erreicht, indem die Verknüpfung für den Inline-Angriff durch ein Nucleophil (eine benachbarte 2'-Hydroxylgruppe) ausgerichtet wird. Darüber hinaus stimmen die Autodegradationsmuster mit der spezifischen Basenzusammensetzung überein. Andererseits sind die Hydrolyseraten für Phosphodiesterbindungen in A-Form-Duplexen von RNA um viele Größenordnungen langsamer, da diese Bindungen nicht leicht auf die für die Hydrolyse erforderliche Geometrie zugreifen können.

Die Raten in der DNA können aufgrund der geometrischen Einschränkungen, die die Helix dem Rückgrat auferlegt, viel langsamer sein als bei Modellverbindungen.

Die Kinetik der Hydrolyse von Arsenat-gebundenen Biopolymeren ist eindeutig ein Bereich, in dem weitere Forschung erforderlich ist.

Frage: Ist es möglich, dass Salze in Ihren Wachstumsmedien genügend Spurenphosphor geliefert haben, um die Bakterien zu erhalten?

Antworten:

Die Daten- und Probenkennzeichnung in Tabelle S1 hat einige Verwirrung verursacht. Zur Verdeutlichung wurde für jedes Experiment eine einzelne Charge künstlichen Mono Lake-Wassers mit der folgenden Formulierung hergestellt: AML60-Salze, kein P, kein As, keine Glucose, keine Vitamine. Tabelle S1 zeigt Beispiele für ICPMS-Messungen von elementarem Phosphor (~ 3 uM) und Arsenat, die mit dieser Formulierung vor weiteren Zusätzen hergestellt wurden. Dann fügten wir Glukose und Vitamine für alle drei Behandlungen hinzu und entweder As für die + As-Behandlungen oder P für die + P-Behandlungen. Die P-Messungen, die auf dem Medium nach Zugabe von Saccharose und Vitaminen und nach Zugabe von As durchgeführt wurden, betrugen in dieser Charge ebenfalls ~ 3 uM. Daher war klar, dass jede gemessene P-Verunreinigung (~ 3 uM, dies war der hohe Bereich) mit den Hauptsalzen einherging und dass alle Experimente identischen P-Hintergrund enthielten (einschließlich jegliches P, das mit der Kulturinokula eingebracht wurde).

In der wissenschaftlichen Arbeit zeigen wir Daten aus einem Experiment vieler wiederholter Experimente, die kein Wachstum von Zellen in Medien ohne Zusatz von Arsenat oder Phosphat zeigen (Abbildung 1). Diese Daten zeigen deutlich, dass der Stamm GFAJ-1 das 3 uM P nicht nutzen konnte, um das weitere Wachstum in Abwesenheit von Arsenat zu unterstützen. Darüber hinaus war der intrazelluläre P-Gehalt, der für die + As / -P-gezüchteten Zellen bestimmt wurde, nicht ausreichend, um den vollen Bedarf an P für die Zellfunktion zu decken.

Hinweis zur Kultivierung: Alle Experimente wurden mit Inokula unter anhaltenden + As / -P-Bedingungen begonnen. Vor den Experimenten waren die Zellen über mehrere Generationen hinweg langfristig aus einer einzelnen Kolonie gezüchtet worden, die auf festen Medien ohne zugesetztes Phosphat gezüchtet worden war. Zuvor wurden sie als Anreicherung für mehr als 10 Transfers und immer in ein neues Medium mit + As / -P gezüchtet. Wir sind daher der Ansicht, dass es keine signifikante Verschleppung von P gibt. Wir argumentieren auch, dass es nicht genügend zelluläres P gegeben hätte, um zusätzliches Wachstum basierend auf einem internen Recyclingpool von P zu unterstützen.

Frage: Gibt es noch etwas, das die Öffentlichkeit über Ihre Forschung oder den wissenschaftlichen Prozess verstehen möchte?

Antworten: Für uns alle, unser gesamtes Team, war es unvorstellbar, wie das war. Wir sind eine Gruppe von Wissenschaftlern, die zusammengekommen sind, um ein wirklich interessantes Problem anzugehen. Wir alle nutzten unsere Talente, von technischen Fähigkeiten bis zur intellektuellen Diskussion, um objektiv zu bestimmen, was genau in unseren Experimenten geschah. Wir haben in der Zeitung und in der Presse frei zugegeben, dass wir und eine ganze Reihe anderer Wissenschaftler viel, viel mehr zu tun haben. An der Pressekonferenz nahm sogar ein technischer Experte teil, Dr. Steven Benner, der einige der Bedenken äußerte, auf die wir oben reagiert hatten. Ein Teil unseres Grundes, diese Arbeit in die Community zu bringen, bestand darin, die intellektuellen und technischen Verbindungen für mehr Zusammenarbeit herzustellen, um viele der verbleibenden Fragen zu beantworten. Wir waren mit unseren Daten transparent und zeigten jedes Datum und jedes interessante Ergebnis. Die Schlussfolgerungen unseres Papiers basieren auf dem, was wir für die sparsamste Art hielten, eine Reihe von Experimenten zu interpretieren, bei denen kein einzelnes Experiment die große Frage beantworten könnte. "Könnte eine Mikrobe Arsen anstelle von Phosphor verwenden, um ihr Wachstum aufrechtzuerhalten?" Die beste Wissenschaft wirft für uns als Gemeinschaft neue Fragen auf und weckt das Interesse und die Vorstellungskraft der Öffentlichkeit. Als Kommunikatoren und Vertreter der Wissenschaft sind wir der Ansicht, dass die Unterstützung neuer Ideen mit Daten von entscheidender Bedeutung ist, aber auch, um neue Ideen zu generieren, über die andere nachdenken und ihre Talente einbringen können.

Wir freuen uns darauf, mit anderen Wissenschaftlern zusammenzuarbeiten, entweder direkt oder indem wir die Zellen frei verfügbar machen und geeigneten Experten DNA-Proben für ihre Analysen zur Verfügung stellen, um mehr Einblick in diesen faszinierenden Befund zu erhalten.

Verweise

1. T.G. Richmond, J.R. Johnson, J.O. Edwards, P.H. Rieger, Aust. J. Chem. 30, 1187 (1977).

2. C.D. Bär, J. Rieger, Inorg. 20, 905 (1981).

3. J.-M. Handwerk, Stier. Soc. Chim. Fr. 14, 99 (1870).

4. Lagunas, D. Pestana, J. Diez-Masa, Biochemistry 23, 955 (1984).

Quelle: Felisa Wolf-Simons Website Iron Lisa

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