2018. október 18. csütörtök
Lukács, Ambrus
Biotechnológia, molekuláris biológia és élettan az mRNS.hu-n

Az info@mrns.hu-ra küldhet linket vagy valamilyen anyagot, amit szeretne, ha hírként bemutatnánk.


Korábbi híreink  |   Keresés:

Kiválasztott hír:
Megosztás: Add az iWiW-hez Add a Facebook-hoz Add a Twitter-hez Add a Google Reader-hez Add a Startlaphoz
Az idegenről, aki közülünk való - 2010-12-11 16:19:43 Hozzászólás írása Hozzászólások száma 3 hozzászólás 
Az idegenről, aki közülünk való

A NASA közelmúltban tett bejelentése, miszerint olyan baktériumot találtak, melynek a DNS-ében a foszfort arzén helyettesíti, nagy port kavart a tudományos világban. Egyesek földönkívüli életként aposztrofálták, mások megkérdőjelezték a kutatás hitelességét. Az mRNS.hu utánajárt a jelenségnek, kutattunk, nyomoztunk. Kiderítettük, hogy a baktériumok világában nem is olyan egyedi az arzén hasznosítása, ám azt nem vitatjuk el –nem is tehetnénk-, hogy ez az első és eddig egyetlen baktérium, aki az arzént – sok más molekuláján kívül - a DNS-ébe is beépíti.

 

Mi is az élet? – a kémiai alapok

A földi élet rendkívül szigorú szabályokra épül, amiket igen jól ismerünk. Ám ezeknek a „dogmáknak” az ismerete és vitathatatlan mivolta is kevés ahhoz, hogy élet fogalmát pontosan definiálhassuk.

Amiben egyelőre még minden kutató egyetért a földi élettel kapcsolatban az az, hogy a földi élet szén alapú. Ez azt jelenti, hogy a makromolekuláink (fehérjék, szénhidrátok, nukleinsavak) alapvázát a szénatomok adják. A szén azért alkalmas arra, hogy a szerves molekulák vázát adja, mert négy vegyértékelektronja miatt igen változatos módokon képes saját magával és más atomokkal is stabil, erős kémiai kötést kialakítani. Így válik lehetővé, hogy egy molekula akár több millió atomot is tartalmazhasson.

A szén mellett az élő szervezetekben többnyire kén (S), hidrogén (H), foszfor (P), oxigén (O) és nitrogén (N) fordul elő. Ezeket az elemek az élő szervezetben való gyakoriságuk miatt összefoglalóan biogén elemeknek nevezik.

A biogén elemekről:

Minden elem, amely az élő szervezetben előfordul, és annak működésében részt vesz, vagy támogatja azt, biogén elemnek nevezzük. A biogén elemek azonban – előfordulási gyakoriságuknak megfelelően csoportokat alkotnak.

A biogén elemek csoportosítása:

Elsődleges biogén elemek:
Ha egy szervezetben megvizsgáljuk a biogén elemek mennyiségi megoszlását, akkor azt tapasztaljuk, hogy a sejtek anyagainak mintegy 99%-át mindössze hat elem építi fel, amelyek a szerves alapvegyületek építőelemei. Ezek a kiemelkedő fontosságú, elsődleges biogén elemek, más néven organogén elemek. (S, H, N, P, O, C)

Másodlagos biogén elemek:
Mintegy 1,5–2%-os mennyiségben képezik az élő szervezetek anyagait a másodlagos biogén elemek, melyek főként az idegrendszer működésében vesznek részt. Ezek a nátrium (Na), a kálium (K), a kalcium (Ca), a magnézium (Mg) és a klór (Cl). Ezek közül a foszfor és a kén elemi állapotukban, a többi viszont ionos állapotukban található meg. Az elsődleges és a másodlagos biogén elemeket együtt az élő anyag makroelemeinek is szokták nevezni. Ezek többsége ionos formában található meg a sejtek vizes oldataiban.

Harmadlagos biogén elemek:

Mindössze néhány ezrelékben (mikrogrammnyi mennyiségben) fordulnak elő az élő szervezetekben a mikroelemek (harmadlagos biogén elemek). Ennek ellenére nélkülözhetetlenek, hiszen legtöbbjük az életfolyamatokhoz szükséges makromolekulák egy-egy alkotója. Hiányuk esetén a sejtek képtelenek felépíteni egy sor fontos vegyületet. (Mangán, vas, réz, cink, jód, stb.)

Negyedleges biogén elemek:
A nyomelemek (negyedleges biogén elemek) csoportjába tartoznak azok az elemek, amelyek nem minden élőlénynek számítanak létszükségletnek, csak bizonyos fajok számára. (Fluor, Bróm, Szelén, stb.)


Forrás: Wikipédia


A ritka kivételek

Az élőlények közös jellemzője, hogy anyagcserét folytatnak, vagyis a szervezetüket felépítő molekulákat folyamatosan lebontják, és újraépítik azokat. A lebontott molekulákból származó bomlástermékek egy részét az organizmusok a leadják a külvilágba, más részüket viszont újrahasznosítják, vagy elraktározzák. A fentiek alapján az élő szervezetek nyílt rendszerek, az életet magát pedig a folyamatos és egyirányú anyag- és energiaáramlás táplálja.

Az anyagáramlás lényege a fentiekben rejlik: a testünket felépítő anyagokat folyamatosan elveszítjük, és azokat folyamatosan pótoljuk. Mivel bármilyen élőlény szervezetét nézzük, fő alkotó molekulái biogén elemekből épülnek fel, logikusan tehát anyagcseréjük során ezeket az elemeket veszítik el, és ezeket szükséges pótolniuk. Ezért lehet olykor meglepő, ha olyan élőlényre bukkannak, amelyik a fenti szabályoktól eltérő táplálékforráson él, azaz a szükségesnek és esszenciálisnak titulált elemeken kívül más típusú anyagokat is felvesz táplálékként. Ez ugyanis azt sugallhatja, hogy az az adott élőlény nem pusztán a „hagyományos” atomokból épül fel. Az ilyen jelenségek viszont minden kutató fantáziáját megmozgatják.

Hogy mi is megmutassuk, az élet mennyire dinamikus jelenség, bemutatunk néhány élőlényt, amelyek a megszokottaktól roppant eltérő anyagcserét képesek folytatni.
 
Geotrichum candidum:

2001-ben a madridi Természettudományi Múzeum munkatársai meglepődve tapasztalták, hogy egy jól ismert gombafaj számára a CD lemezek polikarbonát anyaga és a lemez alumíniumból álló adathordozó felülete kiváló tápanyagforrásnak bizonyult1. Nem mellesleg ez a gomba felelős a geotrichozis nevű humán megbetegedésért is.

 
Alkalilimnicola ehrliche (MLHE-1):

Egy évvel később a kaliforniai Mono Lake vizeiben azonosítottak egy másik baktériumot, amelyik képes az arzenitet(III) arzenáttá(V) oxidálni. Ez a baktériumfaj a a 16S riboszomális DNS szekvenciája alapján az  Ectothiorhodospira kládba, azon belül pedig a Proteobacteria subgenusba tartozik, és az MLHE-1 nevet kapta. A mikróba kemoautotróf táplálkozása során az arzenitet használja elektron donorként és nitrátot elektron akceptorként, miközben arzenátot juttat a környezetébe.2

Desulforudis audaxviator:

Még ennél is érdekesebb, hogy Dél Afrikai aranybányák környezetében, 2,8 km mélyen a földfelszín alatt erősen radioaktív környezetben olyan baktériumot találtak, amely ebben a miliőben eddig az egyetlen kimutatott élő szervezet. A Desulforudis audaxviator –t 2006 ban fedezték fel egészen véletlenül3. Ez a baktérium is kemoautotróf, energiát elsősorban hidrogénből (mely a környezetében lévő urán, tórium és kálium bomlásának hatására képződik vízből) és vízben oldott szulfátok redukálásából nyer. A szerves anyagaihoz szükséges szenet többféle módon is képes felvenni, a külső feltételektől függően. Képes megemészteni a szénhidrátokat és aminosavakat, vagyis ha más fajokból elegendő elhalt sejt áll rendelkezésre, heterotróf anyagcserét is folytathat. Alacsony biodiverzitású helyeken azonban (mint amilyen a Mponeng bánya is) szén-monoxidot, szén-dioxidot, hidrogén-karbonátot és egyéb anorganikus anyagokat használ fel.

Egyedi anyagcserét folytató mikrobák egész seregét fel lehetne még sorolni, ám egyikük sem lehet annyira különleges, mint a NASA által 2010-ben leírt baktérium, amely azon túl, hogy  - fentiek alapján nem szokatlanul - arzénban gazdag környezetben él, azt a DNS-ébe is képes beépíteni. Ez utóbbi tulajdonsága teszi a baktériumot hihetetlenül egyedivé. Az ugyanis nem szokatlan, hogy egyes elemek egy adott molekulában ugyanazt a funkciót töltik be, mint egy másik elem egy másik élőlény hasonló molekulájában: például az ember hemoglobinjában a 4 hem molekula közé koordinálódott vasatom, puhatestűeknél a vas helyett a rézatom felelős az oxigénszállításért, de az idáig példátlan, hogy a biomolekulák kémiai összetétele is módosuljon – pláne a DNS molekuláris összetétele.

A NASA kutatói a GFAJ-1 nevű baktériumot – mely rendszertanilag a Gammaproteobacteria csoporton belül a Halomonadaceae családba tartozik, és az MLHE-1 nevű baktériumhoz hasonlóan a kaliforniai Mono Lake magas oldott arzéntartalmú hiperszalin vizéből izolálták. Ennek a családnak a tagjairól már korábban kimutatták, hogy képesek nagy menyiségben intercelluláris arzén akkumulációra.

A titokzatos GFAJ-1

A kutatók számára a baktérium laboratóriumi tenyésztése során egyértelművé vált, hogy a baktérium elviseli a magas arzénkoncentrációt, és csak a tápoldatokban található minimális mennyiségű foszfor mellett is életben marad. Csak arzén (AsO43- : arzenát formájában) vagy csak foszfor (PO43-) jelenlétében is képesek voltak növekedni, optimálisnak azonban az a tápoldat bizonyult, ami nagy mennyiségű arzenátot és minimális foszfátot tartalmazott. A két szervetlen molekula hiányában a baktériumok azonban elpusztultak. Az As+/P- (arzenátot tartalmazó de foszfort nem tartalmazó) kultúrában növesztett mikrobák elektronmikroszkópos vizsgálatok alapján másfélszer akkora sejtmérettel rendelkeztek, mint az As-/P+ médiumban növesztettek. Az As+/P- sejtek ultrastrukturális vizsgálata nagy méretű intracelluláris vakuólumokat is igazolt.

A továbbiakban részletesen bemutatjuk, hogyan, milyen módszerek segítségével jutottak el a kutatók odáig, hogy igazolták az arzén jelenlétét a DNS molekulában.

A különböző tápoldatokban (As+/P-, AS-/P+) növesztett baktériumok IPC-MS módszerrel végzett száraztömegének mérése során kimutatták, hogy az As+/P- médiumban tenyésztett sejtek olyan kevés foszfort (0,02 ±0,01%) tartalmaztak, ami az eddigi ismeretek szerint nem elégséges az optimális növekedéshez.

Mi is az az IPC –MS?

Lefordítva annyit jelent: Induktív csatolástú plazma tömegspektrométer, vagyis a tömegspektrométerek egy speciális típusa. A tömegspektrometria vagy tömegspektroszkópia (MS - Mass Spectrometry) nagyműszeres analitikai módszer töltött anyagi részecskék tömegének meghatározására. Az adott ionok elektromágneses térrel való kölcsönhatásra tömeg/töltés hányadosuk alapján szétválnak valamilyen módon. A tömegspektrometria legfőbb felhasználása tiszta szerves komponensek képletének és a fragmentálódási folyamatok révén a vegyületek szerkezetének a meghatározására is. A tömegspektroszkópia nagy érzékenységű (akár fg!), széles tömegtartományú, jól reprodukálható, szelektív, valamint elválasztástechnikai módszerekkel, így például gázkromatográfiával (GC-MS), folyadékkromatográfiával(LC-MS) vagy kapilláris elektroforézissel (CE-MS) kombinálható a megfelelő interface hozzákapcsolásával. A mérés során felvesszük a tömegspektrumot, mely relatív intenzitást ábrázol a tömeg/töltés hányados függvényében.

A tömegspektrométerek három részt mindenképpen kelltartalmazniuk:

- ionforrást(tömeg)
- analizátort
- és detektort
 
A tömegspektrometriás mérések lépései:

-A mintából ionok készítése
-Az ionok a különböző tömeg/töltés arány szerinti elválasztása
-Az ionok detektálása
-Adatgyűjtés, a tömegspektrum felvétele
 
Az analitikai vizsgálatok során használják, segítségével ugyanis az előkészített mintákról nagy pontossággal meg tudják mondani, hogy milyen elemekből tevődik össze. Az ICP-MS előnyei a következők:

- alkalmas gyors sokelemes meghatározásokra,
- kiváló kimutatási határok a periódusos rendszer mintegy 70-75 elemére,
- az atomemissziós spektrometriához (AES) képest egyszerő spektrumok,
- ebből adódóan kevesebb spektrális zavarás,
- izotóp-összetétel meghatározható,
- többféle mintabeviteli rendszerrel kapcsolható,
- széles linearitási tartománya miatt fő- és mellékalkotók, valamint nyomelemek  egyidejőleg
  meghatározhatók.


Ez a vizsgálati eredmény tette szükségessé, hogy a kutatócsoport utánajárjon az arzén intracelluláris lokalizációjának.
Ennek során 73As izotópot tartalmazó 73AsO4- médiumban növesztették a sejteket, majd vizsgálták, hogy az izotópok mely molekulákba épültek be. Meglepő módon a DNS frakció nagy mennyiségű 73As jelenlétét mutatta.

Ez az információ önmagában nem elegendő ahhoz, hogy igazolja a DNS-ben az arzenát beépülését a foszfát helyett. Ennek igazolására lemérték, hogy As-/P+ médiumban tartott sejtek DNS-ében mennyi az atomi foszfor mennyisége. IPC-MS méréssel igazolták, hogy a sejtben mérhető összes foszfor csupán négy százaléka épül be a DNS-be. Az As+/P- sejteknél ugyanezt az arányt tapasztalták.

A géltisztított genomi DNS-en végzett további vizsgálatok (nanoSIMS, IPC-MS) szintén igazolták az As jelenlétét a sejtekből izolált DNS-ben. A bizonyításra, miszerint az arzén izotóp a DNS-be beépült, a nanoSIMS vizsgálat igen alkalmasnak bizonyult, ugyanis ez az eljárás képes arra, hogy a stabil izotópokkal jelölt molekulák sejten belüli lokalizációját rendkívül nagy pontossággal megadja.

Röntgenabszorpciós vizsgálatokkal kimutatták, hogy az arzén As(V) (arzenát-ion) formájában van jelen, és nincs jele arzenit ionnak {As(III)}. µEXAFS vizsgálatokkal (mely alkalmas egy adott atom környezetének vizsgálatára és nagy pontossággal prediktálni a kiszemelt atom körüli kémiai környezetet) négy oxigént mutattak ki az As(V) körül, vagyis nagy valószínűséggel 
AsO4- -ról volt szó, amely a DNS építőköveként funkcionált.

A további vizsgálatok, amelyek a titokzatos arzenát ion körüli atomi környezet felderítését célozták meg, egyértelművé tették, hogy a GFAJ-1 DNS-ében és sok más biomolekulájában a foszfátot valóban képes helyettesíteni az arzenát.

Erre valószínűleg azért képes a baktérium, mert a foszfor és az arzén a periódusos rendszerben is egy oszlopban, egymás alatt helyezkednek el. Atomsugaruk és ionsugaruk csak kis mértékben különbözik, elektronszerkezetük – így kémiai viselkedésük – is nagyon hasonló.

Ami azonban még ezek után is kérdés marad az az, hogy vajon miként képes a baktérium megbirkózni azzal, hogy az arzenát-észterek szemben a foszfát-észterekkel (a szervezetben a szervetlen foszfátok gyakorta foszfát-észterek formájában vannak jelen) sokkal instabilabb molekulák. Valószínűleg ennek az instabilitásnak a kivédését szolgálják az As+/P- tápoldatban növesztett sejtekben megfigyelhető nagyméretű vakuolák, amelyek feltehetően poli-β-hidroxibutirát (PHB) depóként szolgálnak (ahogyan más Halomonas fajok esetében már leírták), a PBH ugyanis olyan vízmentes közeget teremt az As-O-C (észterkötés) környezetében, amely lassítja a víz által okozott hidrolízis sebességét. Nyitott kérdés maradt továbbá az is, hogy milyen rendszerek biztosítják a genom integritását – ami a foszfor-arzén szubsztitúció miatt ha kis mértékben ugyanis, de instabillá válik, illetve az a kérdés is válaszra vár, hogy a szubsztitúciót milyen molekuláris mechanizmusok teszik lehetővé a baktériumban.

A felfedezés több szempontból is kiemelkedő jelentőségű. Egyrészt újonnan ráébreszti a tudományok művelőit arra, hogy a világban – különösen az élettudományok területén – semmit sem szabad dogmaként elfogadni, és el kell fogadni, hogy létezhetnek olyan unikális kivételek, amelyek alapjaiban formáljhaták át a korábbi elképzeléseket.

Az azonban még ennél is fontosabb üzenete lehet a GFAJ-1 baktériumnak, hogy a földönkívüli élet, és egyáltalán az élet kutatásánál sok meglepetésre számíthatunk. Ha ugyanis az életet fenntartó molekulákban az elemek helyettesíthetik egymást, akkor számolnunk kell azzal a lehetőséggel, hogy olykor elsiklunk az „ismeretlen élet” felett, hiszen nem az általánosan elfogadott, ismert élet jeleit detektáljuk, hanem egy eddig ismeretlen élet kémiai megjelenését.

Science, 2010. 12. 02

Szlávik Attila

Irodalomjegyzék:

1:
Fungal bioturbation paths in a compact disk.
Garcia-Guinea J, Cárdenes V, Martínez AT, Martínez MJ
.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11572018

2:
Alkalilimnicola ehrlichii sp. nov., a novel, arsenite-oxidizing haloalkaliphilic gammaproteobacterium capable of     chemoautotrophic or heterotrophic growth with nitrate or oxygen as the electron acceptor
Shelley E. Hoeft, Jodi Switzer Blum, John F. Stolz, F. Robert Tabita, Brian Witte, Gary M. King, Joanne M. Santini and Ronald S. Oremland
http://ijsb.sgmjournals.org/cgi/content/full/57/3/504

3:
Environmental Genomics Reveals a Single-Species Ecosystem Deep Within Earth
Dylan Chivian, Eoin L. Brodie, Eric J. Alm, David E. Culley, Paramvir S. Dehal, Todd Z. DeSantis, Thomas M. Gihring, Alla Lapidus, Li-Hung Lin, Stephen R. Lowry, Duane P. Moser, Paul M. Richardson, Gordon Southam, Greg Wanger, Lisa M. Pratt, Gary L. Andersen, Terry C. Hazen, Fred J. Brockman, Adam P. Arkin and Tullis C. Onstott
http://www.sciencemag.org/content/322/5899/275

 
Cikk ajánlása » email:
Hozzászólás írása
Hozzászólás
 

Értékelések száma: 17, Cikk értéke (1-10):


Értékelje ezt a cikket! 

Küldő: vAirDa2010-12-17 20:06:26 
Ez mondjuk nem "tök ismeretlen". Csak pár helyen arzén van benne foszfor helyett. És ez még csak nem is konzekvens... Egyértelműen csak egy evolúciós csökevény, egy adaptációs kísérlet.
Én inkább arra lennék kíváncsi mi van a mélytengerekben. Hiszen több, mint valószínű, hogy az élet vhonnan onnan ered. Ott érdekesebb dolgok lapulhatnak )
 
Küldő: GyA2010-12-17 08:03:37 
Nem gondolom, hogy messzemenő következtetéseket vonna le bárki is a Földön kívüli élet kapcsán, csak annyit akar ez az anyag is mondani, hogy ha ilyen eltérés van a "megszokottól", akkor ne csodálkozzunk ha tök ismeretlen lesz az amit máshol találunk és élőnek nevezzük majd.
 
Küldő: spuc2010-12-16 13:08:48 
Érdekes felfedezés, olvastam is róla máshol, gagyibb verzióban (pl. index). A felfedezés interpretálása viszont a legklasszikusabb példája a helytelen következtetések levonásának! Érdekes dolog, hogy felfedeztek egy bacit, ami foszfát helyett arzént tud hasznosítani, de ebből földönkívüli életre vonatkozó következtetéseket (akár csak lehetőségként is) is levonni.. Pfff. Az gáz.
 

Hirdetés
Email cím:
Jelszó:

Regisztráció »
Elfelejtett jelszó »
Portálunk oldalai megfelelnek az egészségügyi információk megbízhatóságát és hitelességét garantáló HONcode előírásainak. Ezt: itt ellenőrizheti
Portálunk oldalai megfelelnek az egészségügyi információk megbízhatóságát és hitelességét garantáló HONcode előírásainak. Ezt:
itt ellenőrizheti
.
Oldal ajánlása (email):
Az ajánlót küldi (név):
Hirdetés