GFAJ-1 - GFAJ-1

GFAJ-1
GFAJ-1 (cultivado em arsênico) .jpg
Células ampliadas da bactéria GFAJ-1 cultivadas em meio contendo arseniato
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GFAJ-1 é uma cepa de bactérias em forma de bastonete da família Halomonadaceae . É um extremófilo que foi isolado do lago Mono hipersalino e alcalino, no leste da Califórnia, pela geobióloga Felisa Wolfe-Simon , pesquisadora da NASA residente no US Geological Survey . Em uma publicação no jornal Science de 2010 , os autores afirmaram que o micróbio, quando carente de fósforo , é capaz de substituir uma pequena porcentagem de seu fósforo por arsênio para sustentar seu crescimento. Imediatamente após a publicação, outros microbiologistas e bioquímicos expressaram dúvidas sobre essa afirmação, que foi fortemente criticada pela comunidade científica. Estudos independentes subsequentes publicados em 2012 não encontraram arseniato detectável no DNA de GFAJ-1, refutaram a alegação e demonstraram que GFAJ-1 é simplesmente um organismo dependente de fosfato resistente a arseniato.

Descoberta

Wolfe-Simon em Mono Lake, 2010

A bactéria GFAJ-1 foi descoberta pela geomicrobióloga Felisa Wolfe-Simon , uma astrobiologia da NASA residente no US Geological Survey em Menlo Park, Califórnia . GFAJ significa "Give Felisa a Job". O organismo foi isolado e cultivado no início de 2009 a partir de amostras que ela e seus colegas coletaram de sedimentos no fundo do Lago Mono , Califórnia, EUA. O Lago Mono é hipersalino (cerca de 90 gramas / litro) e altamente alcalino ( pH 9,8). Ele também tem uma das maiores concentrações naturais de arsênio do mundo (200 μ M ). A descoberta foi amplamente divulgada em 2 de dezembro de 2010.

Taxonomia e filogenia

Escherichia coli cepa O157: H7

Halomonas alkaliphila

Halomonas venusta cepa NBSL13

GFAJ-1

Halomonas sp. GTW

Halomonas sp. G27

Halomonas sp. DH77

Halomonas sp. mp3

Halomonas sp. IB-O18

Halomonas sp. ML-185

Filogenia de GFAJ-1 baseada em sequências de DNA ribossomal .

A análise molecular baseada em sequências de rRNA 16S mostra que o GFAJ-1 está intimamente relacionado a outras bactérias halófilas moderadas ("amantes do sal") da família Halomonadaceae . Embora os autores tenham produzido um cladograma no qual a cepa está aninhada entre os membros de Halomonas , incluindo H. alkaliphila e H. venusta , eles não atribuíram explicitamente a cepa a esse gênero. Sabe-se que muitas bactérias são capazes de tolerar altos níveis de arsênico e têm tendência a absorvê-lo em suas células. No entanto, o GFAJ-1 foi proposto de forma controversa para dar um passo adiante; quando carente de fósforo, foi proposto incorporar arsênico em seus metabólitos e macromoléculas e continuar crescendo.

A sequência do genoma da bactéria GFAJ-1 está agora postada no GenBank .

Espécie ou linhagem

Formações de tufas ao longo da margem do Lago Mono

No artigo da revista Science , GFAJ-1 é referido como uma cepa de Halomonadaceae e não como uma nova espécie . O Código Internacional de Nomenclatura de Bactérias , o conjunto de regulamentos que regem a taxonomia de bactérias e certos artigos do International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology contêm as diretrizes e os padrões mínimos para descrever uma nova espécie, por exemplo, os padrões mínimos para descrever um membro da Halomonadaceae . Os organismos são descritos como novas espécies se atenderem a certas condições fisiológicas e genéticas, como geralmente menos de 97% de identidade de sequência de 16S rRNA com outras espécies conhecidas e diferenças metabólicas permitindo que sejam distinguidas. Além de indicadores para diferenciar as novas espécies de outras espécies, outras análises são necessárias, como composição de ácidos graxos , quinonas respiratórias utilizadas e faixas de tolerância e deposição da cepa em pelo menos dois repositórios microbiológicos. Os novos nomes propostos são dados em itálico, seguidos de spág. nov. (e gen. nov. se for um gênero novo de acordo com as descrições desse clado ).

No caso da cepa GFAJ-1, esses critérios não são atendidos e a cepa não é considerada uma nova espécie. Quando uma cepa não é atribuída a uma espécie (por exemplo, devido a dados ou escolha insuficientes), é frequentemente rotulada como o nome do gênero seguido por "sp." (ou seja, espécies indeterminadas desse gênero) e o nome da cepa. No caso de GFAJ-1, os autores optaram por se referir à cepa apenas pela designação de cepa. As cepas intimamente relacionadas ao GFAJ-1 incluem Halomonas sp. GTW e Halomonas sp. G27, nenhum dos quais foi descrito como espécie válida. Se os autores tivessem formalmente atribuído a cepa GFAJ-1 ao gênero Halomonas , o nome seria dado como Halomonas sp. GFAJ-1.

O banco de dados de taxonomia do genoma atribui ao GFAJ-1 sua própria espécie provisória, Halomonas sp002966495 . Isso significa que a cepa se enquadra em Halomonas filogeneticamente, e sua similaridade do genoma inteiro em comparação com outras espécies definidas do gênero é baixa o suficiente. Nem a cepa GTW nem a cepa G27 têm um genoma disponível para que o banco de dados execute sua classificação.

Bioquímica

Um meio de crescimento sem fósforo (que na verdade continha 3,1 ± 0,3 μM de fosfato residual, de impurezas em reagentes) foi usado para cultivar as bactérias em um regime de exposição crescente ao arsenato ; o nível inicial de 0,1 mM foi eventualmente aumentado para 40 mM. Os meios alternativos usados ​​para experimentos comparativos continham altos níveis de fosfato (1,5 mM) sem arseniato, ou não tinham fosfato nem arsenato adicionados. Foi observado que o GFAJ-1 pode crescer através de muitas duplicações no número de células quando cultivado em meios de fosfato ou arseniato, mas não pode crescer quando colocado em um meio de composição semelhante ao qual nem fosfato nem arseniato foram adicionados. O teor de fósforo das bactérias alimentadas com arsênio e famintas de fósforo (conforme medido por ICP-MS) foi de apenas 0,019 (± 0,001)% em peso seco, um trigésimo daquele quando cultivado em meio rico em fosfato. Este conteúdo de fósforo também era apenas cerca de um décimo do conteúdo médio de arsênio das células (0,19 ± 0,25% em peso seco). O conteúdo de arsênio das células, medido por ICP-MS, varia amplamente e pode ser menor do que o conteúdo de fósforo em alguns experimentos e até quatorze vezes maior em outros. Outros dados do mesmo estudo obtidos com o nano- SIMS sugerem um excesso de ~ 75 vezes de fosfato (P) sobre arsênio (As) quando expresso como razões P: C e As: C, mesmo em células cultivadas com arsenato e sem fosfato adicionado . Quando cultivado na solução de arseniato, o GFAJ-1 cresceu apenas 60% tão rápido quanto na solução de fosfato. As bactérias privadas de fosfato tinham um volume intracelular 1,5 vezes o normal; o maior volume parecia estar associado ao aparecimento de grandes " regiões semelhantes a vacúolos ".

Micrografia eletrônica de varredura de células GFAJ-1 cultivadas em meio mínimo definido suplementado com fosfato 1,5 mM

Quando os pesquisadores adicionaram arseniato marcado com isótopo à solução para rastrear sua distribuição , eles descobriram que o arsênio estava presente nas frações celulares que continham as proteínas , lipídios e metabólitos da bactéria como ATP , bem como seu DNA e RNA . Os ácidos nucléicos de células em fase estacionária privadas de fósforo foram concentrados por meio de cinco extrações (uma com fenol , três com fenol-clorofórmio e uma com solvente de extração clorofórmio ), seguidas por precipitação com etanol . Embora ainda faltem evidências diretas da incorporação de arsênio em biomoléculas, as medições de radioatividade sugeriram que aproximadamente um décimo (11,0 ± 0,1%) do arsênio absorvido por essas bactérias acabou na fração que continha os ácidos nucléicos (DNA e RNA) e todos os outros compostos co-precipitados não extraídos pelos tratamentos anteriores. Uma experiência de controle comparável com fosfato marcado com isótopo não foi realizada. Com a distribuição da cepa em meados de 2011, outros laboratórios começaram a testar de forma independente a validade da descoberta. Rosemary Redfield, da University of British Columbia , seguindo questões com as condições de crescimento, investigou os requisitos de crescimento de GFAJ-1 e descobriu que a cepa cresce melhor em meio de ágar sólido do que em cultura líquida. Redfield atribuiu isso aos baixos níveis de potássio e hipotetizou que os níveis de potássio no meio ML60 basal podem ser muito baixos para suportar o crescimento. Redfield depois de encontrar e abordar outras questões (força iônica, pH e o uso de tubos de vidro em vez de polipropileno) descobriu que o arsenato estimulou marginalmente o crescimento, mas não afetou as densidades finais das culturas, ao contrário do que foi afirmado. Estudos subsequentes usando espectrometria de massa pelo mesmo grupo não encontraram evidências de arseniato sendo incorporado ao DNA de GFAJ-1.

Estabilidade de éster de arseniato

Estrutura de poli-β-hidroxibutirato

Os ésteres de arsenato , como aqueles que estariam presentes no DNA , são geralmente esperados para serem ordens de magnitude menos estáveis ​​à hidrólise do que os ésteres de fosfato correspondentes . dAMAs, o análogo de arsênio estrutural do dAMP do bloco de construção do DNA , tem meia-vida de 40 minutos em água em pH neutro. As estimativas da meia-vida na água das ligações de arsenodiéster, que uniriam os nucleotídeos, são de apenas 0,06 segundos - em comparação com 30 milhões de anos para as ligações de fosfodiéster no DNA. Os autores especulam que a bactéria pode estabilizar os ésteres de arseniato em um grau usando poli-β-hidroxibutirato (que foi encontrado para ser elevado em "regiões semelhantes ao vacúolo" de espécies relacionadas do gênero Halomonas ) ou outros meios para diminuir a eficácia concentração de água. Os poli-hidroxibutiratos são usados ​​por muitas bactérias para armazenamento de energia e carbono sob condições em que o crescimento é limitado por outros elementos além do carbono e, normalmente, aparecem como grandes grânulos cerosos que se assemelham muito às "regiões semelhantes a vacúolo" observadas nas células GFAJ-1. Os autores não apresentam nenhum mecanismo pelo qual o poli-hidroxibutirato insolúvel possa diminuir a concentração efetiva de água no citoplasma o suficiente para estabilizar os ésteres de arseniato. Embora todos os halófilos devam reduzir a atividade de água de seu citoplasma por alguns meios para evitar a dessecação, o citoplasma sempre permanece um ambiente aquoso.

Crítica

O anúncio da NASA de uma entrevista coletiva "que terá impacto na busca por evidências de vida extraterrestre" foi criticado como sensacionalista e enganoso; um editorial da New Scientist comentou "embora a descoberta de vida alienígena, se algum dia acontecer, seria uma das maiores histórias imagináveis, isso estava a anos-luz disso".

Além disso, muitos especialistas que avaliaram o artigo concluíram que os estudos relatados não fornecem evidências suficientes para apoiar as afirmações feitas pelos autores. Em um artigo online na Slate , o escritor de ciências Carl Zimmer discutiu o ceticismo de vários cientistas: "Falei com uma dúzia de especialistas ... Quase unanimemente, eles acham que os cientistas da NASA falharam em defender seu caso". O químico Steven A. Benner expressou dúvidas de que o arsenato tenha substituído o fosfato no DNA desse organismo. Ele sugeriu que os vestígios de contaminantes no meio de crescimento usado por Wolfe-Simon em suas culturas de laboratório são suficientes para fornecer o fósforo necessário para o DNA das células. Ele acredita que é mais provável que o arsênico esteja sendo sequestrado em outras partes das células. A microbiologista Rosemary Redfield, da University of British Columbia, disse que o artigo "não apresenta nenhuma evidência convincente de que o arsênio tenha sido incorporado ao DNA ou a qualquer outra molécula biológica" e sugere que os experimentos carecem das etapas de lavagem e dos controles necessários para validar adequadamente suas conclusões. . O microbiologista de Harvard Alex Bradley disse que o DNA contendo arsênico seria tão instável na água que não poderia ter sobrevivido ao procedimento de análise.

Em 8 de dezembro de 2010, a Science publicou uma resposta de Wolfe-Simon, na qual afirmava que eram esperadas críticas à pesquisa. Em resposta, uma página de " Perguntas frequentes " para melhorar a compreensão do trabalho foi postada em 16 de dezembro de 2010. A equipe planeja depositar a cepa GFAJ-1 nas coleções de cultura ATCC e DSMZ para permitir uma distribuição ampla. No final de maio de 2011, a cepa também foi disponibilizada mediante solicitação diretamente ao laboratório dos autores. A ciência tornou o artigo disponível gratuitamente. O artigo foi publicado na versão impressa seis meses após a aceitação na edição de 3 de junho de 2011 da Science . A publicação foi acompanhada por oito comentários técnicos abordando várias preocupações sobre o procedimento experimental e conclusão do artigo, bem como uma resposta dos autores a essas preocupações. O editor-chefe Bruce Alberts indicou que alguns problemas permanecem e que sua resolução provavelmente será um longo processo. Uma revisão de Rosen et al. , na edição de março de 2011 da revista BioEssays discute as questões técnicas com o artigo da Science , fornece explicações alternativas e destaca a bioquímica conhecida de outros micróbios resistentes ao arsênio e que utilizam arsênio.

Em 27 de maio de 2011, Wolfe-Simon e sua equipe responderam às críticas em uma publicação posterior no jornal Science . Então, em janeiro de 2012, um grupo de pesquisadores liderados por Rosie Redfield na University of British Columbia analisou o DNA de GFAJ-1 usando cromatografia líquida-espectrometria de massa e não conseguiu detectar nenhum arsênico, que Redfield chama de "refutação clara" do artigo original descobertas. Uma explicação simples para o crescimento de GFAJ-1 em meio fornecido com arsenato em vez de fosfato foi fornecida por uma equipe de pesquisadores da Universidade de Miami, na Flórida. Depois de rotular os ribossomos de uma cepa de laboratório de Escherichia coli com isótopos radioativos (formando um marcador radioativo ), eles seguiram o crescimento bacteriano em meio contendo arsenato, mas sem fosfato. Eles descobriram que o arsenato induz a degradação maciça dos ribossomos, fornecendo fosfato suficiente para o crescimento lento de bactérias tolerantes ao arseniato. Da mesma forma, eles sugerem, as células GFAJ-1 crescem reciclando fosfato de ribossomos degradados, em vez de substituí-lo por arseniato.

Após a publicação dos artigos que desafiam as conclusões do artigo original da Science que descreve pela primeira vez o GFAJ-1, o site Retraction Watch argumentou que o artigo original deveria ser retirado devido à deturpação de dados críticos. Em maio de 2021, o jornal não foi retirado.

Veja também

Referências

links externos