GFAJ-1 - GFAJ-1
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| Células magnificadas de la bacteria GFAJ-1 cultivadas en medio que contiene arseniato | |
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GFAJ-1 es una cepa de bacterias en forma de bastón de la familia Halomonadaceae . Es un extremófilo que fue aislado del lago Mono hipersalino y alcalino en el este de California por la geobióloga Felisa Wolfe-Simon , investigadora de la NASA residente en el Servicio Geológico de Estados Unidos . En una publicación de la revista Science de 2010 , los autores afirmaron que el microbio, cuando no tiene fósforo , es capaz de sustituir un pequeño porcentaje de fósforo por arsénico para mantener su crecimiento. Inmediatamente después de la publicación, otros microbiólogos y bioquímicos expresaron dudas sobre esta afirmación que fue fuertemente criticada en la comunidad científica. Estudios independientes posteriores publicados en 2012 no encontraron arseniato detectable en el ADN de GFAJ-1, refutaron la afirmación y demostraron que GFAJ-1 es simplemente un organismo dependiente de fosfato resistente al arsenato.
Descubrimiento
La bacteria GFAJ-1 fue descubierta por la geomicrobióloga Felisa Wolfe-Simon , becaria de astrobiología de la NASA residente en el Servicio Geológico de Estados Unidos en Menlo Park, California . GFAJ significa "Dale un trabajo a Felisa". El organismo fue aislado y cultivado a partir de 2009 a partir de muestras que ella y sus colegas recolectaron de sedimentos en el fondo del lago Mono , California, EE. UU. El lago Mono es hipersalino (aproximadamente 90 gramos / litro) y altamente alcalino ( pH 9,8). También tiene una de las concentraciones naturales de arsénico más altas del mundo (200 μ M ). El descubrimiento fue ampliamente publicitado el 2 de diciembre de 2010.
Taxonomía y filogenia
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| Filogenia de GFAJ-1 basada en secuencias de ADN ribosómico . |
El análisis molecular basado en secuencias de ARNr 16S muestra que GFAJ-1 está estrechamente relacionado con otras bacterias halófilas moderadas ("amantes de la sal") de la familia Halomonadaceae . Aunque los autores produjeron un cladograma en el que la cepa se anida entre miembros de Halomonas , incluidos H. alkaliphila y H. venusta , no asignaron explícitamente la cepa a ese género. Se sabe que muchas bacterias pueden tolerar altos niveles de arsénico y tienen una tendencia a absorberlo en sus células. Sin embargo, se propuso polémicamente que GFAJ-1 fuera un paso más allá; cuando carecían de fósforo, se propuso incorporar arsénico en sus metabolitos y macromoléculas y seguir creciendo.
La secuencia del genoma de la bacteria GFAJ-1 ahora está publicada en GenBank .
Especie o cepa
En el artículo de la revista Science , se hace referencia a GFAJ-1 como una cepa de Halomonadaceae y no como una nueva especie . El Código Internacional de Nomenclatura de Bacterias , el conjunto de regulaciones que rigen la taxonomía de bacterias y ciertos artículos en la Revista Internacional de Microbiología Sistemática y Evolutiva contienen las pautas y estándares mínimos para describir una nueva especie, por ejemplo, los estándares mínimos para describir una miembro de las Halomonadaceae . Los organismos se describen como especies nuevas si cumplen ciertas condiciones fisiológicas y genéticas, como por ejemplo, menos del 97% de identidad de secuencia de ARNr 16S con otras especies conocidas y diferencias metabólicas que les permiten distinguirse. Además de los indicadores para distinguir las especies nuevas de otras especies, se requieren otros análisis, como la composición de ácidos grasos , la quinona respiratoria utilizada y los rangos de tolerancia y la deposición de la cepa en al menos dos depósitos microbiológicos. Los nuevos nombres propuestos se dan en cursiva seguidos de sp. nov. (y gen. nov. si es un género nuevo de acuerdo con las descripciones de ese clado ).
En el caso de la cepa GFAJ-1, estos criterios no se cumplen y no se afirma que la cepa sea una nueva especie. Cuando una cepa no se asigna a una especie (por ejemplo, debido a datos o elección insuficientes), a menudo se etiqueta con el nombre del género seguido de "sp". (es decir, especies indeterminadas de ese género) y el nombre de la cepa. En el caso de GFAJ-1, los autores optaron por referirse a la cepa solo por designación de cepa. Las cepas estrechamente relacionadas con GFAJ-1 incluyen Halomonas sp. GTW y Halomonas sp. G27, ninguno de los cuales se describió como especie válida. Si los autores hubieran asignado formalmente la cepa GFAJ-1 al género Halomonas , el nombre se daría como Halomonas sp. GFAJ-1.
La base de datos de taxonomía del genoma asigna a GFAJ-1 su propia especie provisional, Halomonas sp002966495 . Esto significa que la cepa cae en Halomonas filogenéticamente, y su similitud de genoma completo en comparación con otras especies definidas del género es lo suficientemente baja. Ni la cepa GTW ni la cepa G27 tienen un genoma disponible para que la base de datos ejecute su clasificación.
Bioquímica
Se utilizó un medio de crecimiento libre de fósforo (que en realidad contenía 3,1 ± 0,3 µM de fosfato residual, de las impurezas en los reactivos) para cultivar las bacterias en un régimen de exposición creciente al arsenato ; el nivel inicial de 0,1 mM se incrementó finalmente hasta 40 mM. Los medios alternativos utilizados para los experimentos comparativos contenían niveles elevados de fosfato (1,5 mM) sin arseniato o no tenían fosfato ni arsenato añadido. Se observó que GFAJ-1 podía crecer a través de muchas duplicaciones en el número de células cuando se cultivaba en medio de fosfato o arseniato, pero no podía crecer cuando se colocaba en un medio de composición similar al que no se le añadía ni fosfato ni arsenato. El contenido de fósforo de las bacterias hambrientas de fósforo alimentadas con arsénico (medido por ICP-MS) fue sólo de 0,019 (± 0,001)% en peso seco, una trigésima parte del que se produce cuando se cultivan en un medio rico en fosfato. Este contenido de fósforo también fue sólo alrededor de una décima parte del contenido de arsénico promedio de las células (0,19 ± 0,25% en peso seco). El contenido de arsénico de las células medido por ICP-MS varía ampliamente y puede ser menor que el contenido de fósforo en algunos experimentos y hasta catorce veces mayor en otros. Otros datos del mismo estudio obtenidos con nano- SIMS sugieren un exceso de ~ 75 veces de fosfato (P) sobre arsénico (As) cuando se expresa como relaciones P: C y As: C, incluso en células cultivadas con arsenato y sin fosfato agregado. . Cuando se cultivó en la solución de arsenato, GFAJ-1 solo creció un 60% tan rápido como lo hizo en la solución de fosfato. Las bacterias hambrientas de fosfato tenían un volumen intracelular 1,5 veces superior al normal; el mayor volumen parecía estar asociado con la aparición de grandes " regiones parecidas a vacuolas ".
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Cuando los investigadores agregaron arseniato marcado con isótopos a la solución para rastrear su distribución , encontraron que el arsénico estaba presente en las fracciones celulares que contienen las proteínas , lípidos y metabolitos de las bacterias como el ATP , así como su ADN y ARN . Los ácidos nucleicos de las células en fase estacionaria privadas de fósforo se concentraron mediante cinco extracciones (una con fenol , tres con fenol-cloroformo y una con disolvente de extracción con cloroformo ), seguidas de precipitación con etanol . Aunque todavía falta evidencia directa de la incorporación de arsénico en biomoléculas, las mediciones de radiactividad sugirieron que aproximadamente una décima parte (11.0 ± 0.1%) del arsénico absorbido por estas bacterias terminó en la fracción que contenía los ácidos nucleicos (ADN y ARN). y todos los demás compuestos coprecipitados no extraídos por los tratamientos anteriores. No se realizó un experimento de control comparable con fosfato marcado con isótopos. Con la distribución de la cepa a mediados de 2011, otros laboratorios comenzaron a probar de forma independiente la validez del descubrimiento. Rosemary Redfield de la Universidad de Columbia Británica , tras los problemas con las condiciones de crecimiento, investigó los requisitos de crecimiento de GFAJ-1 y descubrió que la cepa crece mejor en medio de agar sólido que en cultivo líquido. Redfield atribuyó esto a los niveles bajos de potasio y planteó la hipótesis de que los niveles de potasio en el medio ML60 basal pueden ser demasiado bajos para apoyar el crecimiento. Redfield después de encontrar y abordar otros problemas (fuerza iónica, pH y el uso de tubos de vidrio en lugar de polipropileno) descubrió que el arsenato estimulaba marginalmente el crecimiento, pero no afectaba las densidades finales de los cultivos, a diferencia de lo que se afirmaba. Los estudios posteriores que utilizaron espectrometría de masas del mismo grupo no encontraron evidencia de que se hubiera incorporado arsenato en el ADN de GFAJ-1.
Estabilidad del éster de arseniato
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En general, se espera que los ésteres de arsenato , como los que estarían presentes en el ADN , sean órdenes de magnitud menos estables a la hidrólisis que los correspondientes ésteres de fosfato . Los dAMA, el análogo de arsénico estructural del componente básico del ADN dAMP , tienen una vida media de 40 minutos en agua a pH neutro. Las estimaciones de la vida media en el agua de los enlaces arsenodiéster, que unirían los nucleótidos, son tan breves como 0,06 segundos, en comparación con los 30 millones de años de los enlaces fosfodiéster en el ADN. Los autores especulan que las bacterias pueden estabilizar los ésteres de arsenato hasta cierto punto mediante el uso de poli-β-hidroxibutirato (que se ha encontrado que está elevado en "regiones similares a vacuolas" de especies relacionadas del género Halomonas ) u otros medios para reducir la eficacia concentración de agua. Muchas bacterias utilizan polihidroxibutiratos para el almacenamiento de energía y carbono en condiciones en las que el crecimiento está limitado por elementos distintos del carbono, y normalmente aparecen como grandes gránulos cerosos que se asemejan mucho a las "regiones similares a vacuolas" que se observan en las células GFAJ-1. Los autores no presentan ningún mecanismo por el cual el polihidroxibutirato insoluble pueda reducir la concentración efectiva de agua en el citoplasma lo suficiente como para estabilizar los ésteres de arseniato. Aunque todos los halófilos deben reducir la actividad acuosa de su citoplasma por algún medio para evitar la desecación, el citoplasma siempre permanece en un ambiente acuoso.
Crítica
El anuncio de la NASA de una conferencia de prensa "que tendrá un impacto en la búsqueda de evidencia de vida extraterrestre" fue criticado como sensacionalista y engañoso; un editorial de New Scientist comentaba "aunque el descubrimiento de vida extraterrestre, si alguna vez ocurre, sería una de las historias más grandes imaginables, esto estaba a años luz de eso".
Además, muchos expertos que han evaluado el documento han llegado a la conclusión de que los estudios informados no proporcionan suficiente evidencia para respaldar las afirmaciones hechas por los autores. En un artículo en línea sobre Slate , el escritor científico Carl Zimmer discutió el escepticismo de varios científicos: "Me comuniqué con una docena de expertos ... Casi unánimemente, creen que los científicos de la NASA no han logrado defender su caso". El químico Steven A. Benner ha expresado sus dudas de que el arseniato haya reemplazado al fosfato en el ADN de este organismo. Sugirió que las trazas de contaminantes en el medio de crecimiento utilizado por Wolfe-Simon en sus cultivos de laboratorio son suficientes para suministrar el fósforo necesario para el ADN de las células. Él cree que es más probable que el arsénico esté secuestrado en otras partes de las células. La microbióloga de la Universidad de Columbia Británica, Rosemary Redfield, dijo que el documento "no presenta ninguna evidencia convincente de que se haya incorporado arsénico en el ADN o en cualquier otra molécula biológica", y sugiere que los experimentos carecían de los pasos de lavado y los controles necesarios para validar adecuadamente sus conclusiones. . El microbiólogo de Harvard, Alex Bradley, dijo que el ADN que contiene arsénico sería tan inestable en el agua que no podría haber sobrevivido al procedimiento de análisis.
El 8 de diciembre de 2010, Science publicó una respuesta de Wolfe-Simon, en la que afirmaba que se esperaban críticas a la investigación. En respuesta, el 16 de diciembre de 2010 se publicó una página de " Preguntas frecuentes " para mejorar la comprensión del trabajo. El equipo planea depositar la cepa GFAJ-1 en las colecciones de cultivos ATCC y DSMZ para permitir una distribución generalizada. A finales de mayo de 2011, la cepa también estuvo disponible a pedido directamente del laboratorio de los autores. Science ha hecho que el artículo esté disponible gratuitamente. El artículo se publicó en forma impresa seis meses después de su aceptación en la edición del 3 de junio de 2011 de Science . La publicación estuvo acompañada de ocho comentarios técnicos que abordaron diversas inquietudes con respecto al procedimiento experimental y la conclusión del artículo, así como una respuesta de los autores a estas inquietudes. El editor en jefe Bruce Alberts ha indicado que quedan algunos problemas y que es probable que su resolución sea un proceso largo. Una revisión de Rosen et al. , en la edición de marzo de 2011 de la revista BioEssays analiza los problemas técnicos con el artículo de Science , proporciona explicaciones alternativas y destaca la bioquímica conocida de otros microbios resistentes al arsénico y que utilizan arsénico.
El 27 de mayo de 2011, Wolfe-Simon y su equipo respondieron a las críticas en una publicación de seguimiento de la revista Science . Luego, en enero de 2012, un grupo de investigadores dirigido por Rosie Redfield de la Universidad de Columbia Británica analizó el ADN de GFAJ-1 utilizando cromatografía líquida-espectrometría de masas y no pudo detectar ningún arsénico, lo que Redfield llama una "clara refutación" de la recomendaciones. Un equipo de investigadores de la Universidad de Miami en Florida proporcionó una explicación simple para el crecimiento de GFAJ-1 en un medio provisto de arsenato en lugar de fosfato . Después de marcar los ribosomas de una cepa de laboratorio de Escherichia coli con isótopos radiactivos (formando un trazador radiactivo ), siguieron el crecimiento bacteriano en un medio que contenía arsenato pero no fosfato. Descubrieron que el arseniato induce la degradación masiva de los ribosomas, proporcionando así suficiente fosfato para el lento crecimiento de bacterias tolerantes al arseniato. De manera similar, sugieren que las células GFAJ-1 crecen reciclando el fosfato de los ribosomas degradados, en lugar de reemplazarlo con arsenato.
Después de la publicación de los artículos que desafían las conclusiones del artículo original de Science que describe por primera vez GFAJ-1, el sitio web Retraction Watch argumentó que el artículo original debería retractarse debido a la tergiversación de datos críticos. En mayo de 2021, el documento no se ha retirado.
Ver también
Referencias
enlaces externos
- NASA - Presentación oficial el 2010-12-02 - Video (56:53) e información relacionada. - (3 de diciembre de 2010)
- NASA.gov: "Investigación financiada por la NASA descubre vida construida con sustancias químicas tóxicas" - ( 2 de diciembre de 2010 )
- NASA - Revista de Astrobiología: "Buscando vida extraterrestre, en la Tierra" . - (9 de octubre de 2009)
- Sitio web de Felisa Wolfe-Simon