De terugslag van het artikel "arseenleven" dat op 2 december werd gepubliceerd, is nog steeds aan de gang. Een deel van de kritiek ging over de wetenschap, terwijl veel meer kritiek ging over de berichtgeving over het nieuws en ook over hoe NASA het publiek met nieuws introduceerde of 'plaagde', met de woorden 'astrobiologie' en 'buitenaards leven' in hun aankondiging van een aanstaande persconferentie. Vandaag, op de American Geophysical Union-conferentie, besprak een van de teamwetenschappers, Ron Oremland de gevolgen van de berichtgeving in het nieuws, en ik zal daar binnenkort een overzicht van geven. Ongeveer tegelijkertijd publiceerde het wetenschapsteam een verklaring en enkele veelgestelde vragen over de wetenschappelijke krant. Hieronder staat die verklaring en de informatie die het wetenschapsteam heeft verstrekt.
Antwoord op vragen over het wetenschappelijke artikel "Een bacterie die kan groeien door arseen te gebruiken in plaats van fosfor"
-Vanaf 16 december 2010-
Een onderzoeksartikel dat op 2 december 2010 door het tijdschrift Science werd gepubliceerd, leverde verschillende bewijzen op, die collectief suggereren dat een bacterie die is geïsoleerd uit het Californische Monomeer, een klein percentage van zijn fosfor kan vervangen door arseen en de groei kan ondersteunen.
Deze bevinding was verrassend omdat zes elementen - koolstof, zuurstof, waterstof, stikstof, zwavel en fosfor - de meeste organische moleculen in levende materie vormen, waaronder nucleïnezuren, eiwitten en lipiden. Wetenschappers die niet bij het onderzoeksteam zijn aangesloten, hebben daarom passende uitdagende vragen over het onderzoek gesteld.
Een belangrijk doel van wetenschappelijke publicatie is het bevorderen van de wetenschap door interessante gegevens te presenteren en testbare hypothesen voor te stellen. Het is begrijpelijk dat de meest verrassende bevindingen de meest intense respons en controle van de wetenschappelijke gemeenschap genereren. Reacties na publicatie op origineel onderzoek en inspanningen om de resultaten te testen en te repliceren, vooral in het geval van onverwachte bevindingen, zijn een essentieel mechanisme voor het bevorderen van wetenschappelijke kennis.
Wetenschapsredacteuren hebben nu een aantal technische opmerkingen en brieven ontvangen die reageren op het artikel 'Een bacterie die kan groeien door arseen te gebruiken in plaats van fosfor', door Felisa Wolfe-Simon en collega's. De opmerkingen en reacties zullen worden beoordeeld en we zullen ze publiceren in een toekomstige uitgave van Science.
Ondertussen, in een poging het publiek begrip van het werk te geven, zijn het onderzoeksartikel en een gerelateerd nieuwsbericht de volgende maand gratis beschikbaar gemaakt voor het publiek via de Science-website. Deze artikelen zijn hier online te vinden:
Het Wolfe-Simon-team, theoretiserend dat sommige bacteriën mogelijk in staat zijn om arseen te gebruiken of enige vervanging voor fosfor in organische moleculen te tolereren, verzamelden microben uit arsenicumrijk Mono Lake en speenden ze vervolgens geleidelijk af van fosfor, in plaats daarvan arseen. Het team heeft gemeld dat ze maatregelen hebben genomen om fosforverontreiniging uit te sluiten. Ze concludeerden dat hun bewijs suggereerde dat arseen een klein percentage van de fosfor in hun DNA had vervangen.
De auteurs hebben verschillende soorten bewijsmateriaal beschreven, waaronder:
* Inductief gekoppeld plasma massaspectrometrie.
De auteurs meldden dat uit deze resultaten bleek dat arseen zich in bacteriële cellen bevond, wat suggereert dat het niet alleen een verontreiniging was die aan de buitenkant van de cellen vastzat;
* Radioactieve labeling van arseen.
Het team van Wolfe-Simon zei dat dit bewijs hen in staat stelde de normaal giftige stof in de eiwit-, lipide-, nucleïnezuur- en metabolietfracties van de cellen te herkennen, wat suggereert dat het was opgenomen in moleculen die elke fractie vormen.
* Secundaire ionen-massaspectrometrie met hoge resolutie van het DNA nadat het was gescheiden van de bacteriën.
De auteurs meldden dat dit bewijs suggereerde dat het geïsoleerde DNA nog steeds arseen bevatte.
* Röntgenanalyse met hoge intensiteit (synchrotron).
Op basis van dit bewijs concludeerden de auteurs dat arseen in de bacteriën fosfaten in DNA en andere moleculen leek te vervangen.
Vragen over de bevindingen waren meestal gericht op de vraag of de bacteriën echt arseen in het DNA hadden opgenomen en of de microben volledig waren gestopt met het consumeren van fosfor. Hoewel het team er de voorkeur aan geeft om vragen te beantwoorden via een peer-reviewed proces, hebben Felisa Wolfe-Simon en Ron Oremland hier als openbare dienst aanvullende informatie verstrekt en hun gegevens en procedures verduidelijkt. De wetenschap benadrukt dat deze reacties niet door vakgenoten zijn beoordeeld; ze worden alleen namens de auteurs verstrekt als een openbare informatiedienst, terwijl de meer formele beoordeling van hun reacties op opmerkingen die naar de wetenschap worden gestuurd, wordt voortgezet.
Voorafgaande vragen en antwoorden
Vraag: Sommige mensen hebben zich afgevraagd of het DNA door uw techniek met behulp van gelelektroforese voldoende is gereinigd om het van andere moleculen te scheiden. Vindt u dat dit een terechte zorg is?
Antwoord:
Ons DNA-extractie- en zuiveringsprotocol begint met gewassen cellen, gepelleteerd uit media. Deze worden vervolgens onderworpen aan een standaard DNA-extractieprotocol, dat meerdere fenolchloroformstappen omvatte om onzuiverheden te verwijderen, inclusief eventueel niet-opgenomen arsenaat (As). Hierna werd het DNA geëlektroforeerd, waardoor het DNA verder werd gescheiden van onzuiverheden. Eventuele restanten van de media zouden zijn verwijderd door de cellen te wassen voorafgaand aan extractie en door te verdelen in de waterfase tijdens de 3 fenol: chloroform-stappen in de extractie. Als As in een lipide of eiwit was opgenomen, zou het zijn verdeeld in de fenol-, fenol: chloroform- of chloroformfracties. Bovendien werd DNA dat op deze manier op andere monsters werd geëxtraheerd, ook met succes gebruikt in verdere analyses, waaronder PCR, die sterk gezuiverd DNA vereisen.
Het arseen gemeten door NanoSIMS in de gelband komt overeen met onze andere metingen en een ander bewijs.
Ons radioactief gelabelde 73AsO43-experiment toonde aan dat van het totale radioactieve merk dat geassocieerd was met de celpellet 11,0% ± 0,1% geassocieerd was met de DNA / RNA-fractie. Dit gaf aan dat we wat arsenaat van de totale pool geassocieerd met de nucleïnezuren mogen verwachten. Om deze gegevens te interpreteren, hebben we onze interpretatie gekoppeld aan ons EXAFS-bewijs dat suggereert dat intracellulair arseen As (V) gebonden was aan C en niet vrij was in oplossing als een ion. Dit suggereert de As is in, een organisch molecuul met bindingsafstanden die consistent zijn met een chemische omgeving analoog aan fosfaat (figuren 3A, S3 tabel "bindingslengten"). Om onze interpretatie van de bovengenoemde twee analyses verder te ondersteunen, gebruikten we een derde bewijslijn van NanoSIMS, een geheel andere techniek dan de andere twee. We vinden elementair arseen (gemeten door NanoSIMS) geassocieerd met de gelband die meer dan twee keer de achtergrond in de gel is. Op basis van de bovenstaande discussie zijn wij van mening dat dit geen terechte zorg is.
Vraag: Anderen hebben betoogd dat arsenaat-gekoppeld DNA bij blootstelling aan water snel uit elkaar had moeten vallen. Kunt u dit aanpakken?
Antwoord:
Er zijn geen studies bekend die betrekking hebben op arsenaat dat gebonden is in polyesters met lange ketens of nucleotide di- of tri-esters van arsenaat, wat direct relevant zou zijn voor onze studie. Gepubliceerde studies hebben aangetoond dat eenvoudige arseenesters veel hogere hydrolysesnelheden hebben dan fosfaatesters (1-3). De tot nu toe gepubliceerde experimenten hebben specifiek gekeken naar de uitwisseling of hydrolyse van alkyltri-esters van arsenaat [Eqn. 1] en alkyldi-esters van arseniet [Eqn. 2]:
OAs (OR) 3 + H2O? OAs (OH) (OR) 2+ ROH [1]
OAs (OH) (OR) 2 + H2O? OAs (OH) 2 (OR) + ROH [2]
waar R = methyl, ethyl, n-pentyl en isopropyl. Referentie 2 toonde aan dat de hydrolysesnelheden voor deze eenvoudige alkyltriesters van arsenaat afnamen met toenemende koolstofketenlengte (complexiteit) van de alkylsubstituent (methyl> ethyl> n-pentyl> isopropyl). Er is geen onderzoek gedaan naar de hydrolysesnelheden van aan arsenaat gebonden nucleotiden of andere biologisch relevante resten.
Als de hydrolytische snelheidstrend gerapporteerd in Ref. 2 verder gaat naar organische stoffen met een hoger gewicht, zoals die in biomoleculen, is het denkbaar dat arsenaatgebonden biopolymeren beter bestand zijn tegen hydrolyse dan eerder werd gedacht. De kleine modelverbindingen onderzocht in Refs. 1-3 zijn relatief flexibel en kunnen gemakkelijk de ideale geometrie aannemen voor water om de arseno-esterbinding aan te tasten. Het is echter waarschijnlijk dat arsenaatesters van grote biomoleculen meer sterisch worden gehinderd, wat leidt tot een lagere hydrolysesnelheid.
Dit type sterische beperking van de reactiesnelheid is verantwoordelijk voor het brede scala aan snelheden dat wordt gezien in het gedrag van sommige aan fosfaat gekoppelde nucleotiden. In kleine ribozymen kunnen de phophodiester-verbindingen op de plaats van katalyse in de orde van tientallen seconden worden gehydrolyseerd (met een chemische snelheid van 1 s-1). Deze snelheidsverbetering wordt bereikt door de koppeling te oriënteren voor in-line aanval door een nucleofiel (een aangrenzende 2'-hydroxylgroep). Bovendien zijn de autodegradatiepatronen consistent met specifieke basissamenstelling. Aan de andere kant zijn de hydrolysesnelheden voor fosfodiësterbindingen in A-vorm duplexen van RNA vele ordes van grootte langzamer, omdat deze verbindingen niet gemakkelijk toegang hebben tot de geometrie die nodig is voor hydrolyse.
De snelheden in DNA kunnen veel langzamer zijn dan modelverbindingen vanwege de geometrische beperkingen die door de helix aan de ruggengraat worden opgelegd.
De kinetiek van de hydrolyse van aan arsenaat gebonden biopolymeren is duidelijk een gebied waarop meer onderzoek gerechtvaardigd is.
Vraag: Is het mogelijk dat zouten in uw groeimedium voldoende sporenfosfor hebben geleverd om de bacteriën te ondersteunen?
Antwoord:
De gegevens en voorbeeldetikettering in tabel S1 hebben voor enige verwarring gezorgd. Om te verduidelijken, voor elk experiment werd een enkele batch kunstmatig Mono Lake-water gemaakt met de volgende formulering: AML60-zouten, geen P, geen As, geen glucose, geen vitamines. Tabel S1 toont voorbeelden van ICPMS-metingen van elementair fosfor (~ 3 µM) en arsenaat gemaakt op deze formulering voorafgaand aan verdere toevoegingen. Vervolgens hebben we glucose en vitamines toegevoegd voor alle drie de behandelingen en ofwel As voor de + As-behandelingen of P voor de + P-behandelingen. De P-metingen uitgevoerd op het medium na toevoeging van sucrose en vitamines en na toevoeging van As waren ook ~ 3 µM in deze batch. Daarom was het duidelijk dat elke P-onzuiverheid die werd gemeten (~ 3 µM, dit was het hoge bereik) binnenkwam met de belangrijkste zouten, en dat alle experimenten identieke P-achtergrond bevatten (inclusief elke P die met de kweekinocula was ingebracht).
In het Science-artikel laten we gegevens zien van één experiment van vele gerepliceerde experimenten die geen groei van cellen in media aantoont zonder toegevoegd arsenaat of fosfaat (Figuur 1). Deze gegevens tonen duidelijk aan dat stam GFAJ-1 de 3 µM P niet kon gebruiken om verdere groei in afwezigheid van arsenaat te ondersteunen. Bovendien was het intracellulaire P-gehalte bepaald voor de + As / -P-gegroeide cellen niet voldoende om de volledige vereiste van P voor cellulaire functie te ondersteunen.
Opmerking over het kweken: Alle experimenten werden gestart met inocula vanuit aanhoudende + As / -P-omstandigheden. Voorafgaand aan de experimenten waren de cellen op lange termijn gekweekt, gedurende meerdere generaties, uit een enkele kolonie gekweekt op vaste media zonder toegevoegd fosfaat. Voordien werden ze gekweekt als een verrijking voor meer dan 10 transfers en altijd in een nieuw medium dat + As / -P was. We zijn daarom van mening dat er geen significante overdracht van P. is. We stellen ook dat er niet genoeg cellulaire P zou zijn geweest om extra groei te ondersteunen op basis van een interne recyclingpool van P.
Vraag: Is er nog iets dat u als publiek wilt weten over uw onderzoek of over het wetenschappelijke proces?
Antwoord: Hoe dit was voor ons allemaal, ons hele team, was onvoorstelbaar. Wij zijn een groep wetenschappers die samenkwamen om een heel interessant probleem aan te pakken. We gebruikten elk onze talenten, van technische bekwaamheid tot intellectuele discussie, om objectief te bepalen wat er precies gebeurde in onze experimenten. We gaven in de krant en in de pers vrijelijk toe dat er veel, veel meer werk te doen was door ons en een hele reeks andere wetenschappers. Op de persconferentie was zelfs een technisch expert aanwezig, Dr. Steven Benner, die enkele van de zorgen uitte waarop we hierboven hebben gereageerd. Een deel van onze reden om dit werk naar de gemeenschap te brengen, was om de intellectuele en technische verbindingen te leggen voor meer samenwerkingen om veel van de slepende vragen te beantwoorden. We waren transparant met onze gegevens en lieten elk gegeven en interessant resultaat zien. De conclusies van onze paper zijn gebaseerd op wat volgens ons de meest spaarzame manier was om een reeks experimenten te interpreteren waarbij geen enkel experiment de grote vraag zou kunnen beantwoorden. 'Zou een microbe arseen kunnen gebruiken in plaats van fosfor om zijn groei te ondersteunen?' De beste wetenschap opent nieuwe vragen voor ons als gemeenschap en wekt de interesse en verbeeldingskracht van het grote publiek. Als communicatoren en vertegenwoordiger van de wetenschap zijn we van mening dat het ondersteunen van nieuwe ideeën met gegevens van cruciaal belang is, maar ook om nieuwe ideeën te genereren waar anderen over kunnen nadenken en hun talenten kunnen gebruiken.
We kijken ernaar uit om met andere wetenschappers samen te werken, hetzij rechtstreeks, hetzij door de cellen vrij beschikbaar te stellen en DNA-monsters te verstrekken aan geschikte experts voor hun analyses, in een poging om meer inzicht te geven in deze intrigerende bevinding.
Referenties
1. T.G. Richmond, J.R. Johnson, J.O. Edwards, P.H. Rieger, Aust. J. Chem. 30, 1187 (1977).
2. C. D. Baer, J. Rieger, Inorg. 20, 905 (1981).
3. J.-M. Crafts, Bull. Soc. Chim. Fr. 14, 99 (1870).
4. Lagunas, D. Pestana, J. Diez-Masa, Biochemistry 23, 955 (1984).
Bron: Felisa Wolf-Simon's website, Iron Lisa
