Tindak balas dari makalah "kehidupan arsenik" yang diterbitkan pada 2 Disember, masih berterusan. Beberapa kritikan adalah mengenai sains, sementara kritikan lebih banyak mengenai liputan berita dan juga bagaimana NASA memperkenalkan, atau "menggoda" orang ramai dengan berita, menggunakan kata-kata "astrobiologi" dan "kehidupan luar angkasa" dalam mereka pengumuman sidang media yang akan datang. Hari ini, di persidangan Kesatuan Geofizik Amerika, salah seorang saintis pasukan, Ron Oremland membincangkan mengenai kejatuhan liputan berita, dan saya akan memberikan gambaran keseluruhannya sebentar lagi. Pada masa yang sama, pasukan sains mengeluarkan pernyataan dan beberapa Soalan Lazim mengenai kertas sains. Berikut adalah pernyataan dan maklumat yang diberikan oleh pasukan sains.
Menjawab Soalan Mengenai Artikel Sains, "Bakteria Yang Boleh Tumbuh Dengan Menggunakan Arsenik Bukan Fosfor"
-Hingga 16 Disember 2010-
Artikel penyelidikan yang diterbitkan pada 2 Disember 2010 oleh jurnal Science memberikan beberapa bukti, secara kolektif menunjukkan bahawa bakteria yang diasingkan dari Mono Lake California dapat menggantikan arsenik dengan sebilangan kecil fosforus dan mempertahankan pertumbuhannya.
Penemuan ini mengejutkan kerana enam unsur — karbon, oksigen, hidrogen, nitrogen, sulfur dan fosfor — membentuk sebahagian besar molekul organik dalam bahan hidup, termasuk asid nukleik, protein dan lipid. Oleh itu, para saintis yang tidak berafiliasi dengan pasukan penyelidik telah menanyakan soalan yang mencabar mengenai penyelidikan tersebut.
Tujuan utama penerbitan ilmiah adalah untuk memajukan sains dengan mengemukakan data yang menarik dan mengemukakan hipotesis yang dapat diuji. Maklum, penemuan yang paling mengejutkan cenderung menghasilkan tindak balas dan tinjauan yang paling kuat dari komuniti saintifik. Respons selepas penerbitan terhadap penyelidikan asli, dan usaha untuk menguji dan meniru hasilnya, terutama dalam kes penemuan yang tidak dijangka, adalah mekanisme penting untuk memajukan pengetahuan saintifik.
Penyunting sains kini telah menerima sejumlah komentar dan surat-surat teknikal yang menanggapi artikel tersebut, "Bakteria Yang Dapat Tumbuh dengan Menggunakan Arsenik Bukannya Fosfor," oleh Felisa Wolfe-Simon dan rakan-rakannya. Komen dan respons akan ditinjau, dan kami akan menerbitkannya dalam edisi Sains yang akan datang.
Sementara itu, dalam upaya untuk mempromosikan pemahaman masyarakat tentang karya tersebut, artikel penelitian dan berita yang berkaitan telah tersedia secara bebas untuk umum melalui laman web Sains untuk bulan berikutnya. Artikel-artikel ini boleh didapati dalam talian di sini:
Pasukan Wolfe-Simon, berteori bahawa mungkin beberapa bakteria dapat menggunakan arsenik atau bertolak ansur dengan penggantian fosforus dalam molekul organik, mengumpulkan mikroba dari Tasik Mono yang kaya dengan arsenik dan kemudian secara beransur-ansur menyingkirkannya dari fosforus, sebagai gantinya memberi makan arsenik. Pasukan telah melaporkan bahawa mereka mengambil langkah-langkah untuk menolak pencemaran fosfor. Mereka menyimpulkan bahawa bukti mereka menunjukkan bahawa arsenik telah menggantikan sebilangan kecil fosfor dalam DNA mereka.
Pelbagai jenis bukti dijelaskan oleh penulis, termasuk:
* Spektrometri jisim plasma yang digabungkan secara induktif.
Penulis melaporkan bahawa hasil ini menunjukkan arsenik berada di dalam sel bakteria, menunjukkan bahawa ia bukan sekadar bahan pencemar yang tersekat di bahagian luar sel;
* Pelabelan arsenik radioaktif.
Pasukan Wolfe-Simon mengatakan bahawa bukti ini membolehkan mereka mengesan bahan yang biasanya beracun di dalam protein, lipid, asid nukleik dan pecahan metabolit sel, menunjukkan bahawa ia telah diambil ke dalam molekul yang membentuk setiap pecahan.
* Spektrometri jisim ion sekunder beresolusi tinggi DNA setelah ia dipisahkan dari bakteria.
Penulis melaporkan bahawa bukti ini menunjukkan DNA terpencil masih mengandungi arsenik.
* Analisis sinar-X intensiti tinggi (synchrotron).
Berdasarkan bukti ini, para penulis menyimpulkan bahawa arsenik dalam bakteria nampaknya menggantikan fosfat dalam DNA dan molekul lain.
Pertanyaan mengenai penemuan cenderung memusatkan perhatian pada apakah bakteria benar-benar memasukkan arsenik ke dalam DNA dan adakah mikroba telah berhenti memakan fosfor. Walaupun pasukan lebih suka menjawab soalan melalui proses tinjauan rakan sebaya, Felisa Wolfe-Simon dan Ron Oremland telah memberikan beberapa maklumat tambahan di sini sebagai perkhidmatan awam, dan untuk menjelaskan data dan prosedur mereka. Sains menekankan bahawa tindak balas ini belum dikaji semula oleh rakan sebaya; mereka diberikan untuk pihak pengarang hanya sebagai perkhidmatan maklumat awam sementara tinjauan yang lebih formal terhadap respons mereka terhadap komen yang dihantar ke Sains berterusan.
Soal Jawab Awal
Soalan: Sebilangan orang telah mempertanyakan apakah DNA cukup dibersihkan dengan teknik anda menggunakan elektroforesis gel, untuk memisahkannya dari molekul lain. Adakah anda merasakan ini adalah kebimbangan yang sah?
Jawapan:
Protokol pengekstrakan dan pemurnian DNA kami bermula dengan sel yang dicuci, diletupkan dari media. Ini kemudian dikenakan protokol pengekstrakan DNA standard, yang merangkumi beberapa langkah fenol kloroform untuk menghilangkan kekotoran, termasuk arsenat yang tidak diperbadankan (As). Selepas ini, DNA dielektroforeskan, seterusnya memisahkan DNA dari kekotoran. Sebarang sisa dari media akan dikeluarkan dengan mencuci sel sebelum pengekstrakan dan berpisah ke dalam fasa berair semasa 3 langkah fenol: kloroform dalam pengekstrakan. Sekiranya As dimasukkan ke dalam lipid atau protein, ia akan berpecah menjadi pecahan fenol, fenol: kloroform, atau kloroform. Selain itu, DNA yang diekstrak dengan cara ini pada sampel lain juga berjaya digunakan dalam analisis lebih lanjut, termasuk PCR, yang memerlukan DNA yang sangat disucikan.
Arsenik yang diukur oleh NanoSIMS di gel gel sesuai dengan pengukuran kami yang lain dan bukti lain.
Eksperimen radiolabel 73AsO43 kami menunjukkan bahawa dari total radiolabel yang berkaitan dengan pelet sel 11.0% ± 0.1% dikaitkan dengan pecahan DNA / RNA. Ini menunjukkan bahawa kita seharusnya mengharapkan sejumlah arsenat dari jumlah kumpulan yang berkaitan dengan asid nukleik. Untuk menafsirkan data ini, kami menggabungkan tafsiran kami dengan bukti EXAFS kami yang menunjukkan bahawa arsenik intraselular adalah As (V) terikat pada C, dan tidak bebas dalam larutan sebagai ion. Ini menunjukkan adanya, molekul organik dengan jarak ikatan yang konsisten dengan persekitaran kimia yang serupa dengan fosfat (Rajah 3A, S3 "panjang ikatan" jadual). Lebih menyokong penafsiran kami terhadap dua analisis yang disebutkan sebelumnya, kami menggunakan bukti ketiga dari NanoSIMS, teknik yang sama sekali berbeza dari dua yang lain. Kami dapati unsur arsenik (seperti yang diukur oleh NanoSIMS) yang berkaitan dengan gel gel yang lebih daripada dua kali latar belakang gel. Berdasarkan perbincangan di atas, kami tidak merasakan ini adalah kebimbangan yang sah.
Soalan: Yang lain berpendapat bahawa DNA yang berkaitan dengan arsenat seharusnya cepat pecah ketika terkena air. Bolehkah anda mengatasi perkara ini?
Jawapan:
Kami tidak mengetahui sebarang kajian yang menangani arsenat yang terikat dalam poliester rantai panjang atau nukleotida di- atau tri-ester arsenat, yang akan berkaitan langsung dengan kajian kami. Kajian yang diterbitkan menunjukkan bahawa ester arsenik sederhana mempunyai kadar hidrolisis yang jauh lebih tinggi daripada ester fosfat (1-3). Eksperimen yang diterbitkan setakat ini secara khusus melihat pertukaran atau hidrolisis alkil tri-ester arsenate [Eqn. 1] dan alkil di-ester arsenite [Eqn. 2]:
OA (ATAU) 3 + H2O? OA (OH) (ATAU) 2+ ROH [1]
OA (OH) (ATAU) 2 + H2O? OA (OH) 2 (ATAU) + ROH [2]
di mana R = metil, etil, n-pentil dan isopropil. Rujukan 2 menunjukkan bahawa kadar hidrolisis untuk aresterat alkil triesters sederhana ini menurun dengan bertambahnya panjang rantai karbon (kerumitan) pengganti alkil (metil> etil> n-pentil> isopropil). Tidak ada kerja yang dilakukan mengenai kadar hidrolisis nukleotida berkaitan arsenat atau bahagian lain yang berkaitan dengan biologi.
Sekiranya trend kadar hidrolitik dilaporkan dalam Ruj. 2 terus menjadi organik dengan berat yang lebih besar, seperti yang terdapat dalam biomolekul, dapat dibayangkan bahawa biopolimer yang berkaitan dengan arsenat mungkin lebih tahan terhadap hidrolisis daripada yang difikirkan sebelumnya. Sebatian model kecil yang disiasat dalam Ruj. 1-3 agak fleksibel dan dapat dengan mudah menggunakan geometri yang sesuai untuk air menyerang ikatan arseno-ester. Walau bagaimanapun, ester Arsenat dengan molekul bio yang besar cenderung terhalang secara sterik sehingga menyebabkan kadar hidrolisis lebih perlahan.
Kekangan sterik pada kadar tindak balas ini merangkumi pelbagai kadar yang dilihat dalam tingkah laku beberapa nukleotida yang berkaitan dengan fosfat. Dalam ribozim kecil, hubungan phophodiester di lokasi pemangkin dapat dihidrolisiskan pada urutan puluhan saat (dengan kadar kimia 1 s-1). Peningkatan kadar ini dicapai dengan mengarahkan hubungan untuk serangan sebaris oleh nukleofil (kumpulan hidroksil 2 adjacent yang berdekatan). Lebih-lebih lagi, corak autodegradasi selaras dengan komposisi asas tertentu. Sebaliknya, kadar hidrolisis untuk ikatan fosfodiester dalam bentuk A dupleks RNA adalah susunan magnitud yang lebih perlahan, kerana hubungan ini tidak dapat mengakses geometri yang diperlukan untuk hidrolisis dengan mudah.
Kadar dalam DNA mungkin jauh lebih perlahan daripada sebatian model kerana kekangan geometri yang dikenakan pada tulang belakang oleh heliks.
Kinetik hidrolisis biopolimer berkaitan arsenat jelas merupakan kawasan di mana lebih banyak penyelidikan diperlukan.
Soalan: Adakah mungkin garam di media pertumbuhan anda dapat memberikan jejak fosfor yang mencukupi untuk menampung bakteria?
Jawapan:
Data dan pelabelan sampel dalam Jadual S1 telah menimbulkan kekeliruan. Untuk menjelaskan, untuk setiap eksperimen, satu kumpulan air Danau Mono buatan dibuat dengan formulasi berikut: garam AML60, tanpa P, tidak As, tanpa glukosa, tidak ada vitamin. Jadual S1 menunjukkan contoh pengukuran ICPMS unsur fosforus (~ 3 µM) dan arsenat yang dibuat pada formulasi ini sebelum penambahan selanjutnya. Kemudian kami menambahkan glukosa dan vitamin untuk ketiga-tiga rawatan dan sama ada untuk rawatan + As atau P untuk rawatan + P. Pengukuran P dibuat pada medium setelah penambahan sukrosa dan vitamin dan setelah penambahan As juga ~ 3 µM dalam kumpulan ini. Oleh itu, jelas bahawa setiap kekotoran P yang diukur (~ 3 µM, ini adalah julat tinggi) masuk dengan garam utama, dan bahawa semua eksperimen mengandungi latar belakang P yang sama (termasuk P yang dibawa dengan inokula kultur).
Dalam makalah Sains, kami menunjukkan data dari satu eksperimen dari banyak eksperimen yang direplikasi yang tidak menunjukkan pertumbuhan sel dalam media tanpa penambahan arsenat atau fosfat (Gambar 1). Data-data ini dengan jelas menunjukkan bahawa ketegangan GFAJ-1 tidak dapat menggunakan 3µM P untuk menyokong pertumbuhan selanjutnya tanpa adanya arsenat. Lebih-lebih lagi, kandungan P intraselular yang ditentukan untuk sel yang tumbuh + As / -P tidak mencukupi untuk menyokong keperluan penuh P untuk fungsi sel.
Catatan mengenai pemupukan: Semua eksperimen dimulakan dengan inokula dari keadaan + As / -P yang berterusan. Sebelum eksperimen, sel-sel tersebut telah ditanam dalam jangka panjang, selama beberapa generasi dari satu koloni tunggal yang tumbuh pada media pepejal tanpa tambahan fosfat. Sebelum ini, mereka dikembangkan sebagai pengayaan selama lebih dari 10 pemindahan dan selalu menjadi media baru yang + As / -P. Oleh itu, kami merasakan bahawa tidak ada pengangkut P. yang signifikan. Kami juga berpendapat bahawa P selular tidak mencukupi untuk menyokong pertumbuhan tambahan berdasarkan kumpulan kitar semula dalaman P.
Soalan: Adakah perkara lain yang anda mahukan untuk difahami oleh orang ramai mengenai penyelidikan anda, atau mengenai proses saintifik?
Jawapan: Bagi kita semua, seluruh pasukan kita, seperti apa ini tidak dapat dibayangkan. Kami adalah sekumpulan saintis yang berkumpul untuk mengatasi masalah yang sangat menarik. Kami masing-masing menggunakan bakat kami, dari kehebatan teknikal hingga perbincangan intelektual, untuk menentukan secara objektif apa yang sebenarnya berlaku dalam eksperimen kami. Kami dengan bebas mengakui di dalam surat kabar dan di akhbar bahawa ada banyak, banyak lagi pekerjaan yang harus dilakukan oleh kami dan sebilangan besar saintis lain. Persidangan media itu juga termasuk seorang pakar teknikal, Dr. Steven Benner, yang menyuarakan beberapa kebimbangan yang kami jawab di atas. Sebahagian daripada alasan kami membawa karya ini kepada masyarakat adalah untuk membuat hubungan intelektual dan teknikal untuk lebih banyak kolaborasi untuk menjawab banyak persoalan yang berlanjutan. Kami telus dengan data kami dan menunjukkan setiap datum dan hasil yang menarik. Kesimpulan makalah kami didasarkan pada apa yang kami rasakan sebagai cara yang paling pelik untuk menafsirkan serangkaian eksperimen di mana tidak ada satu eksperimen yang dapat menjawab persoalan besar. "Mungkinkah mikroba menggunakan arsenik sebagai pengganti fosfor untuk mempertahankan pertumbuhannya?" Ilmu yang terbaik membuka persoalan baru untuk kita sebagai komuniti dan mencetuskan minat dan imaginasi masyarakat umum. Sebagai komunikator dan perwakilan sains, kami merasakan sokongan idea baru dengan data sangat penting tetapi juga untuk menghasilkan idea baru agar orang lain dapat memikirkan dan membawa bakat mereka untuk dipikul.
Kami berharap dapat bekerjasama dengan saintis lain, baik secara langsung atau dengan menyediakan sel secara bebas dan memberikan sampel DNA kepada pakar yang sesuai untuk analisis mereka, dalam usaha untuk memberikan lebih banyak wawasan mengenai penemuan menarik ini.
Rujukan
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. Kerajinan, Bull. Soc. Chim. Fr. 14, 99 (1870).
4. Lagunas, D. Pestana, J. Diez-Masa, Biokimia 23, 955 (1984).
Sumber: laman web Felisa Wolf-Simon, Iron Lisa
