Arsénico por sustitución

Tenía pensado seguir con el tema del microbioma, pero había que concluir el tema de las "noticias impactantes" de la NASA.

A mí me han parecido un poco defraudantes, lo que no me pilla de sorpresa. No han descubierto ninguna nueva forma de vida, ni en este planeta y mucho menos en otro lugar del universo. Pero la noticia tiene su interés. Parece ser que han conseguido obligar a un ser vivo a crecer usando arsénico en lugar de fosfato para sus biomoléculas. Y eso incluye a los ácidos nucleicos.

Recordemos que el fósforo es un bioelemento esecial. Los seres vivos lo usan para hacer ATP que usan como moneda energética en el metabolismo. Pero también se usa para hacer unas cuantas biomoléculas, principalmente los ácidos nucleicos y los fosfolípidos. En una entrada anterior del blog vimos que hay microorganismos que son capaces de usar nitrógeno en lugar de fósforo para los lípidos. Ahora, parece que el arsénico puede sustituir al fósforo en los ácidos nucleicos. Tengamos en cuenta que el arsénico está debajo del fósforo en la tabla periódica, así que son elementos análogos en cuanto a su reactividad química. De hecho, ese parecido es lo que explica la toxicidad del arsénico. Se incorpora en las rutas metabólicas del fósforo sustituyéndolo en la formación de enlaces ésteres. Pero a diferencia del fósforo, las biomoléculas que llevan arsénico en su composición son mucho menos estables.

Microfotografías electrónicas de barrido de la cepa GFAJ-1 creciendo con arsénato (C) y con fosfato (D). Nótese que las primeras tienen un mayor volumen que las segundas. La microfotografía E es de microscopía de transmisión y muestra posibles depósitos de hidorixibutirato en las células de GFAJ-1 que han crecido en arseniato. (Fuente: Wolfe-Simons et al.)

¿Cómo han conseguido "convencer" a un microorganismo para utilizar arsénico? Pues como suele decirse, a la fuerza ahorcan. Lo que han hecho es coger fango del lago Mono en California, un lago hipersalino con altas concentraciones de arsénico. Ese fango sirvió como inóculo de un medio de cultivo con un pH de 9,8 que contenía 10 mM de glucosa, vitaminas, algunas trazas de metales, arseniato (AsO₄^3-) en una concentración de 100 μM, y no se añadió fosfato. Es decir, realizaron lo que se conoce como un cultivo de enriquecimiento, ya que lo que se deseaba era favorecer a los microorganismos que pudieran medrar en esas condiciones de baja disponibilidad de fosfato.

Hay que tener en cuenta que al iniciar el cultivo si hay fosfato presente. El que contiene el fango y los microorganismos que lo habitan. Así que una vez ha crecido ese primer cultivo los investigadores tomaron una alícuota y la usaron como inóculo de un medio de cultivo similar (en una dilución de 10x). Con eso lo que se consigue es reducir la cantidad de fosfato disponible. Esto lo repitieron unas cuantas veces más, al mismo tiempo que incrementaron la cantidad de arsénico del medio llegando a alcanzar los 5 mM. La cantidad de fosfato del medio debida a impurezas en las sales quedó en unos 3 μM.

En la séptima transferencia, tomaron una alícuota y la cultivaron en una placa petri con el mismo medio de cultivo. De esa forma obtuvieron colonias aisladas. Una de ellas, denominada cepa GFAJ-1, fue repicada y transferida a un medio de cultivo sin fosfato. Se volvió a incrementar la cantidad de arsénico hasta alcanzar los 40 mM. Al mismo tiempo, secuenciaron el 16S rRNA de la cepa para saber de que microorganismo se trataba. Es un miembro de la familia Halomonadaceae que crece con un tiempo de generación de 31 horas en presencia de arsénico y sin fosfato. Si se crece en un medio con fosfato (1,5 mM) y sin arsénico, el microorganismo crece entonces con un tiempo de generación de 19 horas y se obtienen 10 veces más células en fase estacionaria. Si no hay ni fosfato ni arsenato en el medio, el microorganismo no crece.

Análisis Nano-SIMS de células de GFAJ-1 creciendo con arseniato (imágenes B, D y F) o con fosfato (imágenes C, E y G). SIMS son las siglas en ingles de Secondary ion mass spectrometry y lo que nos dice esta técnica es la composición elemental de las células. A mayor color, más cantidad del elemento (As o P) que se está midiendo. (Fuente: Wolfe-Simons et al.)

Utilizando un isótopo de arsénico (⁷³As) han determinado donde se incorpora dicho elemento. Y se incorpora tanto a los ácidos nucleicos, a los lípidos, a los intermediarios metabólicos y a las proteínas. Es decir, sus datos parecen confirmar el hecho de que el arsenato puede actuar como un análogo químico del fosfato en las biomoléculas. Pero no olvidemos que la cepa GFAJ-1 no es un arsenófilo estricto. Si hay fósforo en el medio, lo preferirá al arsénico.

Reconozco que el trabajo es interesante pero ¿qué importancia tiene para la NASA y la exobiología? Pues la verdad, aparte de demostrar que puedes obligar a un ser vivo a utilizar arsénico en lugar de fosfato, yo no le veo mucho más (sí, me ha molestado bastante la forma tan burda de hacer publicidad). Que yo sepa el fósforo es más abundante que el arsénico por regla general, y encima sus esteres son más estables. Así que una forma de vida extraterrestre probablemente utilice el fósforo antes que en el arsénico para su química. Pero evidentemente, si estos resultados se confirman, habrá que decir que el fósforo no es un elemento totalmente esencial para que exista vida.

La crítica a este artículo

Otros enlaces sobre esta historia:

Biounalm
Ciencia Kanija
Experientia Docet
La ciencia de la vida, la biología
La ciencia y sus demonios

Wolfe-Simon, F., Blum, J., Kulp, T., Gordon, G., Hoeft, S., Pett-Ridge, J., Stolz, J., Webb, S., Weber, P., Davies, P., Anbar, A., & Oremland, R. (2010). A Bacterium That Can Grow by Using Arsenic Instead of Phosphorus Science DOI: 10.1126/science.1197258