La NASA desvela el hallazgo de un microbio que se alimenta de arsénico

Una bacteria que se encuentra en las aguas llenas de arsénico de un lago de California está a punto de derribar la comprensión científica de la bioquímica de los organismos vivos. El microbio parece ser capaz de sustituir el fósforo con arsénico en algunas de sus procesos celulares básicos – lo que sugiere la posibilidad de una bioquímica muy diferente a la que conocemos, lo que podría ser utilizado por organismos en condiciones extremas pasadas o presentes en la Tierra, o incluso en otros planetas.

Los científicos siempre han pensado que todos los seres vivos necesitan fósforo, junto con otros elementos como hidrógeno, oxígeno, carbono, nitrógeno y azufre. El ion de fosfato, PO₄^{3 -}, desempeña varias funciones esenciales en las células: mantiene la estructura del ADN y el ARN, se combina con los lípidos de las membranas celulares y transporta la energía dentro de la célula a través de la molécula de trifosfato de adenosina (ATP).

Pero Felisa Wolfe-Simon, geomicrobióloga y Astrobiología de la NASA e investigadora del Servicio Geológico de EE.UU. en Menlo Park, California, y sus colegas informan  hoy en Siencie, que un miembro de la familia de proteobacterias Halomonadaceae puede utilizar arsénico en lugar de fósforo . El hallazgo implica que “el fósforo puede estar en la lista de elementos necesarios para la vida”, dice David Valentín, geomicrobiólogo de la Universidad de California en Santa Bárbara.

Muchos escritores de ciencia ficción han propuesto formas de vida diferentes a los terrestres, a menudo basados en el silicio en lugar del carbono, pero esto marca el primer caso conocido en un organismo real. El arsénico se coloca justo debajo de fósforo en la tabla periódica, y los dos elementos pueden desempeñar un papel similar en las reacciones químicas. Por ejemplo, el ion arseniato, AsO₄^{3 -}, tiene la misma estructura tetraédrica y los sitios de unión que el fosfato. Es tan similar que puede conseguir dentro de las células el mismo mecanismo de transporte de energía que el fosfato, lo que contribuye a la alta toxicidad del arsénico para la mayoría de los organismo.

Wolfe-Simon pensaba que el paralelismo entre los dos elementos podría significar que a pesar de su toxicidad, el arsénico era capaz de realizar el trabajo del fósforo en las células. Su búsqueda de un organismo que no sólo tolerara el arsénico, sino que hiciera un uso biológico de él,  la llevó al lago Mono en el este de California. El lago, de 180 kilómetros cuadrados, tiene una concentración de arsénico muy alta, debido a los minerales de arsénico, que son depositados en él desde las montañas cercanas.

Wolfe-Simon y sus colegas recopilaron lodo de todo el lago y agregaron las muestras a un medio artificial salino que carece de fosfato, sustituido por arseniato. A continuación, realizaron una serie de diluciones con la intención de eliminar cualquier resto de fosfato de la solución y reemplazarla con arseniato. Encontraron que un tipo de microbio en la mezcla parecía crecer más rápido que otros.

Los investigadores aislaron el organismo y descubrieron que cuando se cultiva en una solución de arseniato  crece un 60% más rápido que en una solución de fosfato. Los cultivos  no crecieron en absoluto cuando se le privaba de ambas sustancias.

Cuando los investigadores agregaron el arseniato de radio-etiquetado de la solución para realizar un seguimiento de su distribución, se encontraron con que el arsénico estaba presente en las fracciones celulares que contienen la proteínas, lípidos y metabolitos como el ATP y la glucosa, así como en los ácidos nucleicos que componen su ADN y el ARN. Las cantidades de arseniato detectados fueron similares a las esperadas de fosfato en la bioquímica celular normal, lo que sugerría que el compuesto era utilizado de la misma manera por la célula.

El equipo utilizó dos técnicas de espectrometría de masas para confirmar que el ADN de la bacteria contenía arsénico, lo que implica, aunque no directamente, una demostración de que el elemento ha tomado el papel de fosfato en mantener unida la columna vertebral del ADN. Análisis con láser, y de rayos X de un acelerador de partículas Sincrotrón, indicaron que este arsénico tomaba la forma de arseniato, y se fijaba al carbono y al oxígeno de la misma manera que el fosfato.

“Nuestros datos sugieren la sustitución del fósforo por arsénico”, dice Wolfe-Simon, y agregaque si el microbio Halomonadaceae relativamente común puede hacerlo, probablemente otros pueden también. “Puede ser una indicación de este otro mundo que nadie ha visto”, dice ella.

María Voytek, directora del programa de astrobiología de la NASA en Washington DC, está de acuerdo en que los resultados son convincentes. “Creo que una sola cosa prueba las mediciones,  el arseniato hacer lo que normalmente hace el fosfato, miraré esto de manera conservadora, pero es muy difícil llegar a una explicación alternativa.”

Para ser realmente convincente, sin embargo, los investigadores deben demostrar la presencia de arsénico no sólo en células microbianas, sino también en biomoléculas específicas, dice Barry Rosen, bioquímico de la Universidad Internacional de Florida, en Miami. ”Sería bueno si pudiera demostrarse que el arsénico en el ADN es en realidad la espina dorsal”, dijo.

También asegura que el panorama está todavía incompleto, en cuanto a cual es exactamente el interruptor del arsénico y del fósforo medios en una célulaa, dice Rosen. “Lo que realmente necesitamos saber es que las moléculas en la célula tiene arsénico, y si estas moléculas son activos y funcionales”, dice.

Por ejemplo, ¿Si el fosfato en el ATP fuese sustituido por el arseniato, sería la reacción de transferencia de energía que alimenta la célula más eficiente? En los procesos metabólicos en los que el arseniato de obligar a fijarse con glucosa ¿es tan eficaz? Y, ¿se unen grupos de fosfato a las proteínas para modificar su función, o es el arseniato el que trabaja de ese modo?

“Como químico, estoy obsesionado con los detalles“, dice Rosen.“Creo que los futuros estudios realmente tienen que describir como funciona éste organismo.”

Otros sostienen profundas reservas. ”Queda demostrado que esta bacteria utiliza arseniato como reemplazo para el fosfato en su ADN o en cualquier otra biomolécula que se encuentran en la biología estándar “terrícola“, dice Steven Benner, que estudia la química de origen de la vida en la Fundación de Evolución Molecular Aplicada  en Florida.

El arseniato forma enlaces mucho más débiles que el fosfato en el agua que se rompen en cuestión de minutos, dice, y aunque podría haber otras moléculas estabilizaran esto, los investigadores tendrían que explicar esta discrepancia en su hipótesis. Sin embargo, el descubrimiento es “fenomenal” si se mantiene después de análisis químicos posteriores, añade Benner. “Esto significa que muchas, muchas cosas están mal en términos de cómo vemos las moléculas en el sistema biológico.”

“Además de cuestionar la suposición de que el fosfato es absolutamente necesario para la vida, la existencia de la bacteria ofrece la oportunidad de elegir realmente la función del fósforo en diferentes sistemas biológicos”, señala Valentín. Incluso puede ser una manera de utilizar estos microbios para combatir la contaminación por arsénico en el medio ambiente, añade.

Mientras tanto, Wolfe-Simon y sus colegas coinciden en que hay mucho más por hacer. El primer paso es ver si estas u otras bacterias reemplazan fosfato por arsénico de modo natural, sin ser forzadas a hacerlo en un laboratorio. El grupo también planea secuenciar el genoma del microbio.

“Tenemos 30 años de trabajo por delante para averiguar lo que está pasando“, dice Wolfe-Simon.

Autor: Alla Katsnelson

Enlace original: Arsenic-eating microbe may redefine chemistry of life