Как «псевдомышьяковые» бактерии отличают фосфор от мышьяка

Стало известно, как бактерия GFAJ-1, которая едва не заставила учёных пересмотреть базовые аксиомы биологии, может отличать фосфор от мышьяка, даже когда мышьяка оказывается в несколько тысяч раз больше.

История с «псевдомышьяковыми» бактериями, которая, казалось бы, получила завершение в июле этого года, продолжает волновать умы. Напомним, что пару лет назад группа учёных сообщила об обнаружении бактерий GFAJ-1, которые могут использовать мышьяк вместо фосфора. Эта тема мгновенно обросла разнообразными спекуляциями, вплоть до обсуждения возможности альтернативных форм жизни, но вскоре появились опровержения: бактерии, хотя и живут в сверхмышьяковой среде, для своих нужд используют всё-таки фосфор.

Однако на смену одной загадке пришла другая. Если бактерии действительно предпочитают фосфор, то как они отличают его от мышьяка? Источником фосфора для клетки служит остаток фосфорной кислоты PO₄^3–, который чрезвычайно похож на остаток мышьяковой кислоты (арсенат-ион) AsO₄^3–. Как белки бактерий GFAJ-1 и родственных им видов отличают один ион от другого? Чтобы выяснить это, исследователи из Института Вейцмана (Израиль) сравнили строение и функции пяти белков, которые связывают фосфат и переправляют его в бактериальную клетку. Эти пять белков взяли из четырёх видов бактерий, два из которых были чувствительны к мышьяку, а другие нормально переносили его присутствие в среде. Белки помещались на сутки в раствор с разным соотношением фосфата и арсената, после чего исследователи проверяли, какие молекулы связали фосфат, а какие — арсенат.

Даже 500-кратное преобладание арсената не могло заставить белки связать его вместо фосфат-иона, сообщают учёные в журнале Nature. Но белок из пресловутых «псевдомышьяковых» GFAJ-1 оказался удивительнее всех: он не связывал мышьяк, даже если его концентрация была в 4 500 раз больше, чем концентрация фосфора. Исследователи подробно изучили механику связывания AsO₄^3– с одним из «простых» белков, взятых из бактерии Pseudomonas fluorescens.

Оказалось, что арсенат-ион, который лишь ненамного больше фосфат-иона, расшатывает и ослабляет единственную связь, принадлежащую одному из атомов водорода молекулы белка. Этот атом участвует в присоединении иона к белку, и в случае плохой связь с остальной белковой молекулой никакого связывания не происходит. Однако у мутантных белков эта связь может быть слишком прочной, и в результате клетка с таким белком окажется отравленной мышьяком. Возможна мутация и с обратным эффектом, когда вероятность того, что белок свяжет арсенат-ион, окажется ещё меньше. Именно такое усовершенствование и могло произойти у GFAJ-1.

В целом бактерии GFAJ-1 оказались не такими уж исключениями из общего правила: всякая клетка старается не допустить проникновения мышьяка в цитоплазму, просто у GFAJ-1 это получается лучше всех. Настолько лучше, что может показаться, будто у них есть какой-то особенный, специальный механизм.

Как бы то ни было, новые результаты отвечают на вопрос, как бактериям удаётся добывать фосфор в среде, переполненной мышьяком, и это окончательно хоронит надежды на «альтернативную форму жизни» — по крайней мере в отношении этих бактерий.

Подготовлено по материалам Nature News.

Стало известно, как бактерия GFAJ-1, которая едва не заставила учёных пересмотреть базовые аксиомы биологии, может отличать фосфор от мышьяка, даже когда мышьяка оказывается в несколько тысяч раз больше.

История с «псевдомышьяковыми» бактериями, которая, казалось бы, получила завершение в июле этого года, продолжает волновать умы. Напомним, что пару лет назад группа учёных сообщила об обнаружении бактерий GFAJ-1, которые могут использовать мышьяк вместо фосфора. Эта тема мгновенно обросла разнообразными спекуляциями, вплоть до обсуждения возможности альтернативных форм жизни, но вскоре появились опровержения: бактерии, хотя и живут в сверхмышьяковой среде, для своих нужд используют всё-таки фосфор.

Однако на смену одной загадке пришла другая. Если бактерии действительно предпочитают фосфор, то как они отличают его от мышьяка? Источником фосфора для клетки служит остаток фосфорной кислоты PO₄^3–, который чрезвычайно похож на остаток мышьяковой кислоты (арсенат-ион) AsO₄^3–. Как белки бактерий GFAJ-1 и родственных им видов отличают один ион от другого? Чтобы выяснить это, исследователи из Института Вейцмана (Израиль) сравнили строение и функции пяти белков, которые связывают фосфат и переправляют его в бактериальную клетку. Эти пять белков взяли из четырёх видов бактерий, два из которых были чувствительны к мышьяку, а другие нормально переносили его присутствие в среде. Белки помещались на сутки в раствор с разным соотношением фосфата и арсената, после чего исследователи проверяли, какие молекулы связали фосфат, а какие — арсенат.

Даже 500-кратное преобладание арсената не могло заставить белки связать его вместо фосфат-иона, сообщают учёные в журнале Nature. Но белок из пресловутых «псевдомышьяковых» GFAJ-1 оказался удивительнее всех: он не связывал мышьяк, даже если его концентрация была в 4 500 раз больше, чем концентрация фосфора. Исследователи подробно изучили механику связывания AsO₄^3– с одним из «простых» белков, взятых из бактерии Pseudomonas fluorescens.

Оказалось, что арсенат-ион, который лишь ненамного больше фосфат-иона, расшатывает и ослабляет единственную связь, принадлежащую одному из атомов водорода молекулы белка. Этот атом участвует в присоединении иона к белку, и в случае плохой связь с остальной белковой молекулой никакого связывания не происходит. Однако у мутантных белков эта связь может быть слишком прочной, и в результате клетка с таким белком окажется отравленной мышьяком. Возможна мутация и с обратным эффектом, когда вероятность того, что белок свяжет арсенат-ион, окажется ещё меньше. Именно такое усовершенствование и могло произойти у GFAJ-1.

В целом бактерии GFAJ-1 оказались не такими уж исключениями из общего правила: всякая клетка старается не допустить проникновения мышьяка в цитоплазму, просто у GFAJ-1 это получается лучше всех. Настолько лучше, что может показаться, будто у них есть какой-то особенный, специальный механизм.

Как бы то ни было, новые результаты отвечают на вопрос, как бактериям удаётся добывать фосфор в среде, переполненной мышьяком, и это окончательно хоронит надежды на «альтернативную форму жизни» — по крайней мере в отношении этих бактерий.

Подготовлено по материалам Nature News.