20. dec. 2010

Biologija 2010 - 2060

Pet dni nazaj se je v Philadelphiji končalo 50. letno srečanje Ameriškega društva za celično biologijo. To društvo ima okrog 10.000 članov, njihovi kongresi pa imajo več kot 100 sekcij in okrog 3500 postrskih predstavitev.

Ob okrogli obletnici društva so med udeleženci kongresa izvedli anketo, s katero so poskušali zbrati mnenja glede razvoja biologije v naslednjem polstoletnem obdobju. Udeleženci so lahko na plakat napisali, kaj naj bi v naslednjih desetletjih odkrili na širšem področju biologije. Najzanimivejše podatke povzemam po spletni strani revije The Scientist.

2010 - 2019
* epigenetska zdravila proti raku
* ugotovitev vloge 'odvečne' DNA
* varno doziranje interferenčne RNA

2020 - 2029
* cepivo proti virusu HIV
* biološki umetni organi
* razkritje načel zvijanja proteinov
* prvi kloniran človek
* zdravilo, ki bi nadomestilo spanje

2030 - 2049
* regeneracija organov
* biogorivo iz alg za pogon avtomobilov
* protivirusno zdravilo za prehlad
* prilagoditve rastlin na ekstremne razmere - konec lakote v svetu
* regeneracija okončin po amputacijah
* tovarne človeške krvi

2050 - 2060
* razjasnitev mehanizma spomina
* ustvaritev umetnega življenja v laboratoriju
* sposobnost modeliranja in napovedovanja človekovega vedenja
* miniaturizacija računalnika za vgradnjo v možgane

Verjetno bi anketa imela večjo težo, če bi jo izvedli na drugačen način in na večjem vzorcu znanstvenikov. Škoda, ker tega niso naredili... sicer pa bo priložnosti še precej.

(vir: The Scientist)

6. dec. 2010

Bakterije in arzen: tako zelo nenavadno?

Ko je NASA prejšnji teden na novinarski konferenci sporočila, da so njeni raziskovalci odkrili bakterijo, ki namesto fosforja uporablja arzen, je bilo mogoče slišati in brati zelo različne interpretacije tega, kaj pomeni vgrajevanje sicer strupenega arzena v organizme.

Oglejmo si najprej, kaj so raziskovalci v resnici odkrili.

Analizirali so mikroorganizme iz blatnih bregov kalifornijskega jezera Mono. Jezero v osrčju gorovja Sierra Nevada nima odvodnjavanja, pritoke, ki so ga napajali, pa so leta 1941 preusmerili proti jugu, da so vodo uporabili za preskrbo rastočega Los Angelesa. Takrat je jezerska gladina začela upadati, slanost pa je narasla. Hkrati je jezero zelo alkalno (pH 10), zato v njem preživijo samo tem pogojem prilagojeni organizmi. Najopaznejši so rakci (poleti jih je v jezeru baje okrog 5 trilijonov), ki se prehranjujejo s planktonskimi algami, z rakci pa se hranijo velike jate ptic.

Raziskovalka Felisa Wolfe-Simon, geomikrobiologinja pri Nasi (pred tem na Harvardu) in Geološki upravi, že dalj časa preučuje bakterije v jezerskem blatu, za raziskave pa se zanima tudi Nasa, saj zaradi nenavadnih življenjskih pogojev sklepajo, da bi lahko podobni organizmi živeli tudi kje drugje v vesolju, kjer bi znali biti podobni pogoji. Med drugim je v jezerski vodi in v jezerski usedlini in blatu izredno povečana koncentracija arzena. V jezeru naj bi koncentracija (200 mikroM) za 700-krat presegala mejno koncentracijo, ki jo je določila ameriška agencija za zaščito okolja (EPA).

Že od leta 2008 so vedeli, da nekateri mikrobi iz jezerskih usedlin lahko porabljajo arzen za zagotavljanje kemijske energije (na podoben način nekateri drugi mikrobi na primer porabljajo žveplove spojine). Glede na okolje, v katerem živijo nekateri mikrobi, so sklepali, da morajo imeti poseben tip zalog fosforja ali pa so sposobni vgrajevati arzen v svoje biološke molekule (Astrobiology, 2009).

Arzen in fosfor se razlikujeta po velikosti atomov in po reaktivnosti. Arzen je večji in zelo reaktiven, saj lahko blokira skupine -SH (sulfhidrilne) v številnih proteinih in jih s tem inaktivira. Zato je tudi tako strupen. Po drugi strani ima še nekatere dodatne učinke na človeške celice, ne pa nujno tudi na mikrobne. Če naj bi mikrobi bili odporni proti arzenu, potem morajo imeti eno ali več od naslednjih prilagoditev: način preprečevanja vstopa arzena, sistem za izločanje arzena, vezava in inaktivacija arzena znotraj celice,... ali pa sistem za uporabo arzena za biološke molekule. Ta možnost se je zdela še najbolj neverjetna, saj organizmov, ki bi bili tega sposobni, doslej še nismo poznali.

Čeprav sta arzen in fosfor kemijsko gledano različna, pa sta vendarle do neke mere tudi podobna in nekateri manj natančni proteini bi lahko namesto fosforja vezali nase tudi arzen, čeprav verjetno manj učinkovito. Tako bi teoretično tudi v energetsko bogati molekuli ATP (adenozintrifosfata) lahko eno ali več fosfatnih skupin zamenjala arzenatna skupina. Vprašanje pa je, ali bi se ob odcepu arzenata sprostilo enako energije kot ob odcepu fosfata oziroma ali bi reakcije, ki so sklopljene s hidrolizo take arzenirane molekule, res potekle enako kot z ATP v reakciji.

Da bi ugotovili, kakšna je usoda arzena v mikrobih iz jezera Mono, so vzeli več vzorcev jezerskih usedlin, v katerih je bilo veliko različnih mikroorganizmov. Prenesli so jih v laboratorij in jih gojili v umetnih pogojih, tako da so jim postopno odvzemali fosfor, arzena pa ne. Bakterijo, ki se je najbolje prilagodila na nove razmere, so poimenovali GFAJ-1, niso pa je uvrstili v nobenega od znanih rodov. Ugotovili so, da arzen ostaja v celici in da je vezan na makromolekulske strukture. Sklepajo, da se je vgradil v DNA, RNA, proteine in metabolite (npr. ATP), a direktnega dokaza za to niso predstavili. Dokaz bi bila določitev prostorske zgradbe teh molekul, v katerih bi resnično opazili vezan arzen, ne pa fosforja.

Nekateri raziskovalci menijo, da poskusi, ki so jih opravili, ne dokazujejo, da bakterija GFAJ-1 res uporablja samo arzen in ne fosforja, saj so kemikalije, ki so jih uporabili za pripravo gojišč, vsebovale fosfor kot nečistočo, zato naj bi v gojiščih, ki so jih imeli za brezfosforna, bila koncentracija tega elementa mikromolarna. Res pa je, da je bila koncentracija arzena v poskusu zelo visoka, saj so jo postopno dvigali do 40 mM. Ko so analizirali vsebnost arzena in fosforja v celicah, so ugotovili, da so bakterije vsebovale 10x več arzena kot fosforja in fosforja je bilo 30-krat manj kot v bakterijah, ki so rasle v normalnih pogojih (torej brez povišanja koncentracije arzena).

Nekaj dvomov sproža tudi opažanje, da imajo bakterije v arzenskem gojišču za polovico večji volumen, kar gre na račun vakuol v citoplazmi. Vprašanje je, kaj vsebujejo vakuole. Lahko bi bile sestavljene iz arzena, ki bi bil tam inaktiviran. Vendarle pa so dokazali, da se arzen veže tudi na makromolekule. Dobra desetina vsega je bila vezana na nukleinske kisline - to so ugotovili z radioaktivno označenim arzenom in obarjanjem nukleinskih kislin.

Kaj v resnici pomeni odkritje sposobnosti bakterij, da morda uporabljajo arzen za sestavljanje koristnih molekul, je v tem trenutku težko reči. Najbolj navdušeni opazovalci razmišljajo, da bi podobni organizmi morda živeli v bližini podvodnih vrelcev, kjer se je morda začelo življenje na Zemlji. Drugi menijo, da zdaj lahko upravičeno iščemo življenje na vesoljskih telesih, kjer je vsebnost fosforja nizka, arzena pa visoka.

Mislim, da se bo juha pojedla bolj hladna, kot je sprva kazalo. Raziskava zahteva biokemijsko nadaljevanje z neizpodbitnim dokazom, da je arzen res vezan v strukturo življenjsko pomembnih molekul, in če je to res, potem je treba ugotoviti, kako se veže, kateri encimi to omogočajo in zakaj. Bakterije so znane po tem, da so se sposobne hitro prilagajati na nove razmere v okolju in v poskusih GFAJ-1 ni bila edina bakterija, ki je preživela, je pa res najhitrje rasla - treba bi bilo pogledati, ali tudi ostale bakterije preživijo zaradi podobnih prilagoditev, ali ne.

Preden bomo našli nove oblike življenja na oddaljenih planetih in lunah, bo treba narediti še veliko biokemijskih in molekularnobioloških raziskav na mikrobih z dobre stare Zemlje. In časa je še dovolj...