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dez 03

NASA anuncia descoberta sobre bactérias extremófilas que sobrevivem usando o Arsênio no lugar do Fósforo

Analisando extremófilos do Lago Mono cientistas descobriram bactéria que consegue crescer usando arsênio no lugar do fósforo.

Ontem à tarde (02 de dezembro de 2010) na conferência da NASA foram discutidas recentes descobertas das Astrobiologia que, embora não estejam relacionadas diretamente a detecção da presença de vida extraterrestre, assunto especulado largamente antes da discussão oficial, trazem ao mundo novidades surpreendentes sobre a biodiversidade, através de revelações surpreendentes sobre a bactéria GFAJ-1 encontrada no Lago Mono, Califórnia, EUA.

Infelizmente, apesar das chamadas na mídia terem nos alertado ser um tema de exobiologia, esta estratégia usada pode ter sido uma decepção para alguns, afinal, a bactéria GFAJ-1 por si só não nos conta absolutamente nada de novo sobre a possível existência ou não de vida alienígena no cosmos. Mais ainda, esta bactéria também não revela a existência de uma “biosfera paralela” ou de uma “biosfera das sombras”, não representa algo como a descoberta de um novo nicho da vida na Terra, como alegado exageradamente por alguns. Isso posto, não queremos dizer que isto é uma “ducha de água fria” em nossas expectativas, devemos outrossim reconhecer que a descoberta por si só é notável não só para incrementar nosso conhecimento da “vida como a conhecemos” mas também para nortear as pesquisas futuras de busca pela vida extraterrestre.

Deixando a Astrobiologia de lado por alguns momentos e simplesmente focando no fato de que a vida é fantasticamente adaptável em termos da bioquímica nós temos freqüentemente  deparado com surpresas a cada passo em que a ciência avança. E é importante que cada novo resultado seja alardeado com trombetas, mesmo que deixem que a mídia especulativa fique a ‘comer poeira’. Afinal, há muito tempo tem sido assumido que a química básica da vida necessita de forma imprescindível da presença de 6 elementos químicos, os quais fornecem os blocos básicos da bioquímica. São eles: hidrogênio, carbono, oxigênio, nitrogênio,  fósforo e enxofre. Apesar da persistente especulação, em geral os cientistas julgam que a vida jamais poderia subsistir sem estes 6 elementos.

Felisa Wolfe Simon no Lago Mono

Agora, nós aprendemos sobre esta bactéria GFAJ-1 encontrada no Lago Mono, Califórnia, pode sobreviver, nas condições extremas de uma experiência fascinante, usando arsênio em seu metabolismo, no lugar do fósforo, sem se envenenar {1}. O arsênio é encontrado em abundância no Lago Mono, em uma das mais altas concentrações naturais de todo o mundo. Caleb Scharf (Columbia University) esclarece sobre o arsênio e o seu papel na química:

O arsênio é um elemento traiçoeiro! Com números de valência (3 e 5) idênticos ao do fósforo, o arsênio torna-se quimicamente similar a um dos elementos críticos para a vida, o fósforo, contudo, em termos cruéis. A vida depende extensivamente do fósforo, este elemento é chave para a composição do DNA e RNA, faz parte de outra molécula fundamental para a vida, o ATP (Trifosfato de Adenosina) que serve para o transporte de energia para dentro de toada as células vivas, além de outros papéis vitais. O arsênio, por outro lado, pode penetrar com facilidade nas células, roubando o lugar do fósforo por causa das propriedades da sua valência similar. O grave problema aqui é que o organismo que absorve o arsênio, que por sua vez passa a substituir o fósforo nas células, acaba envenenado {1}, pois a bioquímica é um processo notavelmente sensível e o arsênio é um átomo mais pesado (e “mais gordo”) que o fósforo. Esta é a razão que o arsênio tem sido usado como um dos venenos preferidos em criminosas atividades humanas {1}.

Estrutura tetraédrica do íon arseniato

Isso posto, devemos considerar que a descoberta da bactéria GFAJ-1 é realmente intrigante pois além de se capaz de tolerar uma toxina como o arsênio, esta bactéria também é capaz de usá-lo em suas células!

Geometria do íon fostato. Note a similaridade com o íon arseniato.

O time de pesquisadores liderado por Felisa Wolfe-Simon (USGS) reportou na revista Science que o fósforo pode ser substituído pelo arsênio como um bloco de construção alternativo para a vida, algo há muito tempo especulado por escritores de ficção científica. Os cientistas escreveram na Nature:

O arsênio está posicionado logo abaixo do fósforo na tabela periódica e os dois elementos podem desempenhar um papel similar nas reações químicas em geral. Por exemplo, o íon arseniato, AsO43- tem a mesma estrutura tetraédrica e capacidade de ligação do íon fostato PO43-. O íon arseniato é tão semelhante ao fostato que pode entrar nas células seqüestrando o mecanismo de transporte do fostato, prejudicando a maior parte dos organismos devido a sua alta toxidade.

O time coletou lama do Lago Mono e realizou o experimento de adicionar amostras a um meio salino com concentrações altas de arseniato e em seguida diluindo o material para enxaguar o fostato remanescente. Em um ambiente concentrado de arsênio os cientista perceberam que o organismo cresceu e proliferou nestas condições atípicas em múltiplas gerações desde sua coleta há mais de um ano. O fósforo que restou para estas bactérias estava presente apenas em traços da colônia original de células e nas impurezas encontradas no meio de cultura.

Os autores explicaram na Nature:

Quando os pesquisadores adicionaram radioisótopos de arsênio ao solução para rastrear sua distribuição notaram que o arsênio estava presente nas frações celulares que contêm a proteínas, lipídios e compostos metabólicos tais como a glicose e o ATP, além ácidos nucléicos que compõem as estruturas de DNA e RNA. As quantidades de arseniato detectadas nas células eram similares as encontradas na bioquímica normal destas bactérias, sugerindo que o arsênio estava sendo usado da mesma maneira que o fósforo, indistintamente e sem danos ao organismos.

Poderiam estas bactérias substituir naturalmente o fosfato pelo arseniato? Wolfe-Simon disse que os cientistas necessitariam de 30 anos de trabalho a realizar para conseguir entender exatamente o que está acontecendo, ao comentar a natureza preliminar deste estudo. Espera-se que este trabalho permanecerá considerado como controvertido ainda por alguns trimestres e necessitará de extensivo follow-up. Nada se apelar para “biosferas das sombras” por enquanto, mas a busca continuará em desenvolvimento por causa de suas implicações cientificas, que deverão ser oportunamente confirmadas.

A “coluna vertebral” do DNA (a estrutura espiral azulada neste desenho) contém uma cadeia alternada de fosfato ligada a moléculas de açúcar. Fortes evidências indicam que no organismo GFAJ-1, o fosfato é substituído por arseniato. Crédito: Biblioteca Americana de Medicina

Se a vida na Terra iniciou-se isoladamente mais de uma vez, uma descoberta longe de ser demonstrada por este trabalho, então podemos pensar sobre como o surgimento da vida teria ocorrido da mesma forma em distantes exoplanetas, subindo as probabilidades de que vivemos em um Universo onde a vida aparece em quaisquer ambientes onde as chances propícias se apresentam. Contudo, estamos muito longe ainda de tais conjecturas, o que ficou evidente nos depoimentos prestados por Wolfe-Simon e Steven Benner (Foundation for Applied Molecular Evolution) ontem, na conferência de imprensa da NASA. O escritor inglês de ciências Ed Yong escreveu algumas razões que nos levam ao ceticismo:

Trata-se de um resultado surpreendente, mas mesmo assim, ainda há espaço para questionamentos. Como mencionado, Wolfe-Simon ainda encontrou na amostra uma certa quantidade de fosforo nas bactérias ao final do experimento. Os níveis medidos eram tão baixos que as bactérias não teriam tido a capacidade de crescer. No entanto não estava claro quanto esta fração de fósforo poderia estar influenciando no desenvolvimento da colônia de bactérias. Poderiam estas bactérias genuinamente ter conseguido sobreviver um ambiente totalmente livre do fósforo?

Também não está claro se as moléculas baseadas em arsênio eram parte efetiva do portfólio natural de bactérias. Devemos considerar que a equipe de Wolfe-Simon cultivou estes extremófilos usando concentrações de arsênio gradativamente elevadas. Ao fazer isto os cientistas podem ter artificialmente selecionado bactérias que conseguem usar arsênio no lugar do fósforo, provocando aos descentes do Lago Mono evoluírem com novas habilidades (ou substituírem habilidades existentes) dentro das condições extremas em que foram submetidos no experimento.

Caleb Scharf nos recorda que embora o fósforo seja um elemento relativamente raro na natureza (em termos de abundância cósmica), se compararmos com outros elementos bioquímicos fundamentais (hidrogênio, carbono, nitrogênio e oxigênio), este é um elemento milhares de vezes mais abundante que o arsênio no Universo.  Assim esta aventada ideia otimista de encontrarmos populosas biosferas inteiramente compostas de formas de vida baseadas em arsênio parece sugestivo mas inteiramente implausível, por causa da raridade cosmológica do arsênio.  As experiências com a bactéria extremófila GFAJ-1 fazem uma história fascinante, algo exótico que o circo da mídia adora expor. Paul Davies, um dos autores do artigo, chamou o trabalho de “o início de algo que promete ser um novo campo da microbiologia”.

Mas, novamente, note aqui a armadilha, quando Davies explica seus pontos de vista:

O organismo tem capacidade dual. A bactéria pode crescer tanto utilizando o fósforo quanto o arsênio. Isto a torna bastante peculiar, embora esteja bem longe de se chamar de verdadeira ‘vida alienígena’, pertencendo a um ramo distinto da árvore da vida com origem separada. Entretanto, GFAJ-1 pode sugerir a existência de outros organismos muito mais exóticos. O “cálice sagrado” seria um micróbio que não contenha nada de fósforo.

Para saber mais leia o artigo de Wolfe-Simon et al., “A Bacterium That Can Grow by Using Arsenic Instead of Phosphorus”, publicado na Science (02 de dezembro de 2010). Este  artigo na Astrobiology Magazine fornece informações sobre os métodos usados pelo time de Wolfe-Simon. No Web site de Wolfe-Simon você poderá checar os trabalhos atualmente em andamento.

Veja também a evolução das discussões sobre este polêmico assunto em: Críticas aumentam à bactéria de arsênico.

Dr. Ronald Oremland (à esquerda) e a  Dra. Felisa Wolfe-Simon examinam uma amostra de sedimentos coletada no Lago Mono na Califórnia. Créditos: REUTERS/Henry Bortman/Science/AAAS

Dr. Ronald Oremland (à esquerda) e a Dra. Felisa Wolfe-Simon examinam uma amostra de sedimentos coletada no Lago Mono na Califórnia. Créditos: REUTERS/Henry Bortman/Science/AAAS

Nota

{1} Envenenamento por arseniato: o arseniato pode substituir o fosfato inorgânico no passo da glicólise que produz 1,3-bisfosfoglicerato, produzindo antes 1-arseno-3-fosfoglicerato. Esta molécula é instável e é rapidamente hidrolisada, formando o próximo intermédio do processo, 3-fosfoglicerato. Assim, a glicólise ocorre, mas a molécula de ATP que seria gerada a partir de 1,3-bisfosfoglicerato se perde. O arseniato é uma desacoplador da glicólise e isto explica a sua toxicidade.

Fontes

Centauri Dreams: Arsenic and Odd Life

Astrobiology Magazine: Thriving on Arsenic

Nature: Arsenic-eating microbe may redefine chemistry of life

Artigo Científico

Science: A Bacterium That Can Grow by Using Arsenic Instead of Phosphoru

Links

AstroPT:

._._.

4 comentários

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  1. Ildefonso

    Saiu um texto no blog da DiscoverMagazine que levanta algumas perguntas interessantes a respeito desta pesquisa com a GFAJ-1:

    Scientist Smackdown: Experts Challenge Story of Arsenic-Loving Bacteria
    http://blogs.discovermagazine.com/80beats/2010/12/07/scientist-smackdown-experts-challenge-story-of-arsenic-loving-bacteria/

  2. Walter Zanchet

    Alguem me ajuda ai…. Essa “bactéria” utiliza Arsenio no lugar do Fósforo, ok. Mas duas perguntas me ocorrem: 1 – Ela PODE PRESCINDIR do fosforo ou substitui esse elemento somente em alguams funções vitais? 2 – Essa ‘bactéria” evoluiu a partir de uma outra bactéria “normal” devido a exposição a ambiente com altas concentrações de Arsênio ou evoluiu de forma independente? Para mim o significado da descoberda muda drasticamente, dependendo do modo como essa bactéria se originou…

    1. ROCA

      Suas perguntas são justamente o que os cientistas que não participaram do estudo andam indagando!
      1 – Ela PODE PRESCINDIR do fósforo ou substitui esse elemento somente em algumas funções vitais?
      Não sabemos se pode prescindir integralmente do fósforo! As bactérias cultivadas no experimento ainda tem fósforo nas suas entranhas.
      2 – Essa ‘bactéria” evoluiu a partir de uma outra bactéria “normal” devido a exposição a ambiente com altas concentrações de Arsênio ou evoluiu de forma independente?
      Possivelmente SIM! Pode ter sido uma evolução, adaptando-se ao ambiente concentrado de arsênio a bactéria simplesmente ‘evoluiu’ e passou a consumir arsênio no lugar do fósforo em sua bioquímica básica.
      Lembre-se que trata de experimento de laboratório. As bactérias GFAJ-1 originais do Lago Mono tem metabolismo que usa o fósforo, como os demais seres vivos que conhecemos, mas elas não se intoxicam com o Arsênio presente neste lago!
      É importante lembrar também que no Universo há concentrações milhares de vezes maiores do fósforo que do arsênio. Assim, criaturas que dependem exclusivamente de arsênio e não de fósforo seriam algo desprovido de sentido (implausível) na natureza. O ‘natural’ seria haver seres híbridos (muito raros) que toleram o fósforo e arsênio, como esta bactéria conseguiu suportar.
      Obviamente o normal no Universo são as criaturas que conhecemos habitualmente que não toleram o arsênio.
      Trata-se simplesmente da ‘lei da oferta’. Se há muito mais fósforo natural, porque teríamos uma abundância de ‘criaturas de arsênio’?

  3. Ildefonso

    Parabéns, ótimo post!

    Só lembrando uma outra pesquisa importante nessa linha, este ano foram encontradas bactérias extremófilas capazes de sobreviver a 4.700 metros acima do nivel do mar em um lago (lago Diamante) com concentração de arsênio 20.000 vezes superiores ao nivel que se considera seguro para consumo. Devido a altura e a localização do lago, em plena cordilheira dos Andes, na província argentina de Catamarca, sua temperatura está próxima do ponto de congelamento. Mas, como a água do Lago Diamante é cinco vezes mais salgada que a dos oceanos (o mar Morto é dez vezes mais salgado e ali não foi encontrada vida), nunca se congela. Se por si só estas condições não forem suficientes, María Eugenia Frías, pesquisadora do Consejo Nacional de Investigación Científica de Argentina e líder da equipe que descobriu as bactérias, assegura que “estão muito expostas à radiação ultravioleta e seu DNA muda muito.

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