26.03.2012 | Наука

Ядовитые кирпичики жизни

Умение обращаться с мышьяком необходимо микроорганизмам, населяющим калифорнийские пересоленные озера.

Из классических детективов мы знаем, что мышьяк – это смертельный яд, гарантированно убивающий жертву. А из школьного курса химии – что это элемент главной подгруппы V группы таблицы Менделеева, по своим химическим свойствам очень близкий к фосфору. Связь между этими двумя характеристиками мышьяка самая прямая: молекулы соединений мышьяка действительно настолько похожи на аналогичные соединения фосфора, что у «нормальных» организмов их не могут различить ни ферменты, ни мембранные белки-транспортеры. Между тем фосфор, как известно, входит в состав многих важнейших для жизнедеятельности веществ – в частности, нуклеиновых кислот и универсального энергоносителя АТФ.

Если в клетке есть мышьяк, ферменты встраивают его во все эти вещества вместо фосфора, но образуемые им связи непрочны и самопроизвольно рвутся, разрушая жизненно важные молекулы. Это и делает мышьяк опасным ядом (хотя у него есть и другие возможности отравить нас).

Тем не менее известно немало бактерий, способных использовать мышьяк в своем метаболизме (причем как минимум двумя разными способами). И еще больше – тех, что могут жить в среде с высокой концентрацией мышьяка, не используя его, но и не позволяя ему отравить себя. У тех и у других с ядовитым элементом работают специальные ферменты. Впрочем, и все остальные ферменты у подобных бактерий изменены таким образом, чтобы не путать мышьяк с фосфором. Иначе – смерть.

Умение обращаться с мышьяком необходимо микроорганизмам, населяющим калифорнийские пересоленные озера. Вода здесь резко щелочная (рН 8,5 – 9,8), концентрация солей в разных озерах составляет от 0,6 до 300 г/л (триста грамм соли на литр воды!). Но кроме солей и щелочей каждый литр этой воды содержит от 0,8 до 3000 микромолей мышьяка (границей безопасной концентрации считается 0,13 микромолей). Тем не менее группа американских ученых во главе с Ричардом Ормлендом из Геологической службы США, взяв пробы донных отложений в этих озерах, выделили из них множество видов бактерий, использующих мышьяк в качестве донора или акцептора электронов (т. е. в процессах, аналогичных нашему дыханию). Исследователи разобрались в их экзотической биохимии, установили вероятные родственные связи. Но что-то в ипользовании этими бактериями мышьяка было не так...

Группа Ормленда затеяла довольно безумный эксперимент: донный осадок из озера Моно высеяли на питательную среду, вообще не содержащую соединений фосфора. Зато в этой среде был мышьяк, количество которого постепенно увеличивалось, пока не дошло до 5 мМ/л – что в 25 раз выше, чем в воде Моно. Тем не менее два вида бактерий рода Halomonas благополучно продолжали расти на «мышьячной» среде. На стандартной «фосфорной» они, правда, росли раза в полтора лучше. А вот на среде, не содержащей ни мышьяка, ни фосфора, не росли совсем. Это усилило подозрения ученых: бактерии научились заменять недостающий фосфор мышьяком. Дополнительные исследования – распределение «меченого» мышьяка в клетке, анализ элементного состава ДНК у мышьячных бактерий, рентгеноспектрометрия – говорят о том, что мышьяк и в самом деле встраивается в бактериальную ДНК.

Работа наделала много шуму – отчасти потому, что пресс-конференцию, где излагались ее результаты, организовал Астробиологический институт NASA, сотрудница которого Фелиса Вулф-Саймон была одним из главных соавторов.

Интерес астробиологов к этому сюжету понятен: калифорнийские бактерии наглядно продемонстрировали, что жизнь во Вселенной вовсе не обязана ограничиваться привычным нам элементным составом. Даже во вполне земных, но несколько экзотических условиях живые существа могут заменять один из жизненно важных элементов другим, считавшимся абсолютно непригодным.

Но наиболее интересна эта работа не астробиологическими выводами и тем более не мифической «новой жизнью, опровергающей все законы биохимии» (как поспешили сообщить некоторые СМИ), а вопросами, которые она ставит. Почему бактериальная ДНК не разваливается по «мышьячным» связям? Используют ли бактерии мышьяк вместо фосфора постоянно или это только «аварийный вариант», активированный в условиях эксперимента? Работают ли при этом с «мышьячными» нуклеотидами обычные ферменты или у клетки есть полный запасной набор ферментов?

На эти вопросы ответят только будущие исследования.

Источник: «Знание – сила» № 4, 2011,