Arseenetende bacterie?

Vorige week verbaasde de NASA de wereld met een artikel over een bacterie die bij gebrek van fosfor, arseen kon gebruiken als bouwsteen. Of beter gezegd, de bacterie zou arsenaat (AsO₄^3-) in plaats van fosfaat (PO₄^3-) kunnen gebruiken. Je vraagt je misschien af: waarom is dat bijzonder?

Van een zestal elementen uit het periodiek systeem wordt gedacht dat ze essentieel zijn voor leven zoals we dat op aarde kennen. Waterstof, koolstof, stikstof, zuurstof, zwavel en fosfor komen we in elke levensvorm wel tegen. Natuurlijk zijn er ook andere elementen nodig, maar die zijn vaak wel vervangbaar door een ander element. Een mooi voorbeeld hiervan vind ik het eiwit hemoglobine. Dit eiwit zit in rode bloedcellen en is bij veel dieren (waaronder mensen) verantwoordelijk voor het transport van zuurstof en koolstofdioxide. In het actieve centrum van dit eiwit zit een ijzeratoom, wat het zuurstof bindt en waaraan bloed zijn rode kleur dankt. In een aantal diersoorten, zoals sommige krabben, zit echter geen hemoglobine, maar hemocyanine. Dit eiwit heeft dezelfde functie, maar bevat koper in plaats van ijzer. Deze diersoorten hebben hierdoor overigens ook geen rood bloed, maar blauw bloed.

Terug naar fosfor. In veel biologische verbindingen komt fosfor voor. Denk bijvoorbeeld aan DNA en RNA, die een ‘ruggengraat’ hebben die bestaat uit fosfaatesters. Als een cel (of dat er nu een van een mens of van een bacterie is) wil delen, dan is er dus onherroepelijk een bron van fosfor nodig om bijvoorbeeld het nieuwe DNA-kopie te kunnen maken.

De NASA heeft een bacterie ontdekt die goed blijkt te kunnen overleven in een omgeving met een hoge arseenconcentratie. De bacterie heet GFAJ-1 en is ontdekt in Mono Lake, Californië. Dit meer bevat van nature een relatief hoge concentratie arseenverbindingen (200 µM). Aangezien arseenverbindingen vaak giftig zijn, is het op zich al bijzonder te noemen dat een bacterie in dit meer kan overleven. Er zijn echter ook bacteriën die in bijvoorbeeld zwavelzuur of bij vulkanen overleven, dus in dat opzicht is de ontdekking niet revolutionair. De onderzoekers van de NASA claimen echter ook dat de bacterie het arseen kan inbouwen in het DNA in plaats van fosfor als laatstgenoemde niet voorhanden is. Dit suggereert dat fosfor misschien niet zo essentieel is als gedacht en dit stuit wél veel op weerstand. Fosfor is zo wijdverspreid in biomoleculen dat je niet verwacht dat je zomaar alle fosforatomen kunt vervangen door arseenatomen en dat alles dan keurig blijft werken.

Zoals eerder genoemd bestaat DNA uit fosfaatesters, of meer specifiek fosfodiësters: elke fosfaatgroep maakt twee esterbindingen. Hoewel arseen en fosfor allebei in groep 15 van het periodiek systeem staan, is de verwachting dat DNA met arseen een stuk minder stabiel is dan de normale variant. In het verleden is namelijk al eens onderzoek gedaan naar de stabiliteit van arsenaatesters en daaruit is gebleken dat triësters en diësters in water snel uit elkaar vallen. Snel is in dit geval een paar minuten. Hoewel een bacterie wellicht methodes heeft om dit tegen te gaan, zou dit bij de analyse wel een probleem moeten vormen. De extractie van het DNA uit de bacteriën te halen duurt enkele uren en het DNA is bij deze procedure opgelost in water. Het DNA van de bacterie die groeide met arseen zou dus stuk moeten zijn gegaan, maar bleef heel. Ook ontbreekt er sterk bewijs dat het arseen überhaupt is ingebouwd in het DNA. Er wordt wel wat bewijs aangevoerd, maar er kan zeker niet worden uitgesloten dat er een beetje arseen uit het groeimedium is meegekomen dat de resultaten beïnvloedt. De daarvoor benodigde controle-experimenten zijn simpelweg niet uitgevoerd.

In het artikel wordt beschreven of de bacterie groeit in aanwezigheid van arseen en afwezigheid van fosfor, en het omgekeerde. Helaas blijkt dat het groeimedium met ‘alleen’ arseen (tot 40 mM), vervuild is waardoor er toch nog nog een beetje fosfor (~ 3 µM) aanwezig is. Dat klinkt weinig, maar in de Sargassozee zit honderd keer minder fosfor (~ 10 nM) en daarin groeien bacteriën ook nog prima. In het artikel van de NASA worden ook nog de bacterieconcentraties in de verschillende groeimedia genoemd. Zoals Rosie Redfield in haar blogpost laat zien, is eenvoudig uit te rekenen dat dit ‘beetje fosfor’ meer dan genoeg is voor al het DNA van die bacteriën. Daarnaast barst het in Mono Lake van het fosfaat (~1 mM), dus een evolutionaire drijfveer om arseen in plaats van fosfor te gaan gebruiken is er ook al niet. Jammer.

Hoewel het erg leuk zou zijn als de beweringen van de NASA zouden kloppen, rammelt het artikel dus aan alle kanten. Er is geen direct bewijs dat het arseen daadwerkelijk is ingebouwd, het groeimedium was vervuild en er zijn geen goede controle experimenten gedaan. Het laatste woord is hier nog niet over gezegd. Vooralsnog lijkt het erop dat de NASA ‘slechts’ een arseenbestendige bacterie heeft gevonden die ook kan overleven als er weinig fosfaat aanwezig is. Dat op zich is erg interessant, maar niet zo revolutionair als de NASA ons wil doen geloven.

Lees ook: persbericht NASA, pdf NASA-artikel, en de blogposts van Rosie Redfield en Alex Bradley.