GFAJ-1

Oppdagelse

Bakterien GFAJ-1 ble oppdaget og dyrket frem av geomikrobiologen Felisa Wolfe-Simon, en NASA-forsker i astrobiologi som holder til ved Amerikas forente staters geologiske undersøkelse i Menlo Park, California. Organismen ble isolert og dyrket i 2009 fra sedimenter hun og hennes kolleger samlet langs kysten av Monosjøen, California, USA. Monosjøen er en hypersalinsk og sterkt alkalisk innsjø. Innsjøen har også en av de største naturlige konsentrasjonene av arsen i verden (200 μM). Oppdagelsen ble publisert i stort omfang 2. desember 2010. Ifølge resultatene av 16S rRNA-sekvensering henger den stavformede GFAJ-1 på livets tre blant andre saltelskende bakterier i slekten Halomonas under familien Halomonadaceae. Mange av disse bakteriene er kjent for å være i stand til å tåle høye nivåer av arsen og å ha en tendens til å ta det opp i cellene sine. Imidlertid har GFAJ-1 nå vist seg å gå et skritt videre; når bakterien går tom for fosfor kan den i stedet inkorporere arsen i sine metabolitter og makromolekyler og fortsette å vokse. 
Et «fosforfritt» vekstmedium (som faktisk inneholdt 3,1 ± 0,3 μM av residuum-fosfat, fra urenheter i reagenser) ble benyttet til å dyrke bakteriene i et regime med økende eksponering for arsenat. Startkonsentrasjonen på 0,1 mM ble etter hvert økt til 40 mM. Alternative vekstmedier brukt til komparative eksperimenter inneholdt enten høye nivåer av fosfat (1,5 mM) uten arsenat, eller verken fosfat eller arsenat. Det ble observert at GFAJ-1 kunne vokse gjennom mangedoblinger i cellekonsentrasjon når den ble dyrket i enten fosfor- eller arsenatmedium, og at den ikke kunne vokse når den ble lagt i et medium som manglet både fosfat og arsenat. Fosforinnholdet i bakterien som hadde tatt opp arsen i et fosforfattig miljø var bare 0,019 (± 0,001) % i tørrvekt, en 1/30 av vekten ved fremdyrking i fosfat og om lag 1/100 av vekten til de fleste bakterier. Dette fosforinnholdet var også bare om lag en 1/10 av cellenes arseninnhold (0,19 ± 0,25 % i tørrvekt). Da GFAJ-1 ble dyrket fram i arsenatløsningen formerte bakterien seg så mye som 40 % saktere enn i fosfatløsningen. De fosfatmanglende bakteriene hadde en intracellulær volum 1,5 ganger større enn normalt; det større volumet virket å være assosiert med utseendet av store vakuoler. 
Da forskerne tilførte radiomerket arsenat til løsningen for å spore dens fordeling, fant de ut at arsen var til stede i de cellulære delene som inneholdt bakteriens proteiner, lipider og metaboliiter som ATP, samt i dens arvestoff (DNA og RNA). Nukleinsyrer fra celler i stasjonærfasen (C) som ikke hadde fosfor tilgjengelig ble isolert ved en fenol-, tre fenol-kloroform- og en kloroform-ekstraksjon(er), etterfulgt av utfelling av DNA ved tilsetning av etanol. Målinger av radioaktivitet tydet på at ca. 1/10 (11,0 ± 0,1 %) av arsen absorbert av disse bakteriene havnet i deres nukleinsyrer.  
Arsenatestere, slik som de som vil være til stede i arsenholdig DNA, antas generelt å være flere størrelsesordener mindre stabile ved hydrolyse enn tilsvarende fosfatestere. Forskere spekulerer i at bakteriene til en viss grad kan stabilisere arsenatestere ved å bruke poly-β-hydroksybutyrat (som har blitt funnet opphopet i vakuoler hos beslektede arter i slekten Halomonas) til å senke vannets aktivitet.

Kritikk

Steven A. Benner har uttrykt tvil om at arsen har erstattet fosfat i DNA hos denne organismen. Han mente at sporforurensningene i vekstmediet brukt av Wolfe-Simon i laboratoriet hennes er tilstrekkelig til å forsyne fosfor nødvendig for cellenes DNA. Han tror det er mer sannsynlig at arsen blir tatt opp andre steder i cellene.

Implikasjoner

Oppdagelsen av denne mikroorganismen som kan bruke arsen til å bygge sine cellulære komponenter har implikasjoner innenfor fagfeltet astrobiologi. Noen astrobiologer spekulerer i at dette kan tyde på at liv kan oppstå i fravær av store mengder av tilgjengelig fosfor, og dermed øke sannsynligheten for å finne liv andre steder i universet. Funnet er av stor betydning for den gamle ideen om at liv på andre planeter kan være av en annen kjemisk sammensetning og karakter og kan komme til nytte i letingen etter utenomjordisk liv. Det har også vært spekulert i at bruken av arsen i stedet for fosfor på Jorden kan dateres tilbake til livets opprinnelse, som kan ha funnet sted i arsenrike miljøer som for eksempel Hydrotermale skorsteiner.