GFAJ-1

GFAJ-1是一种杆状盐单胞菌科（Halomonadaceae）嗜极细菌。该细菌能在缺乏磷元素的环境中吸收通常被认为有剧毒的砷元素进入细胞内，并利该元素合成类似ATP、磷脂等有机化合物或对蛋白质进行翻译后修饰。这种细菌甚至能用砷元素合成DNA与RNA等重要的生物高分子。 长期以来，大部分假说都认为外星生命或与地球生命有着截然不同的化学组成。如这项发现被确认，其将在很大程度上拓宽科学界以往对构成生命的基本元素的认知，还可能为科学家探索外星生命提供新参考依据。 GFAJ-1是由一位美国宇航局（NASA）太空生物学研究员、前亚利桑那州立大学地球和空间探索学院学者、地质微生物学家费莉莎·沃尔夫－西蒙（Felisa Wolfe-Simon）在美国加利福尼亚州的美國地質調查局驻地发现并培养的。2010年12月2日，这项发现被公之于众。 2009年，费莉莎及其同事在加州莫諾湖岸边的沉积物中对此微生物群落进行了分离并开始隔离培养。门洛湖是一个鹹水湖，且其湖水中砷浓度之高也在世界湖泊前列（达200μmol/L）。 据对该细菌16S rRNA测序的结果，在生命大家族的族谱中，GFAJ-1应与盐单胞菌科的其他亲盐类细菌具有亲缘关系——这些细菌都是已知的可耐受高浓度砷环境的物种，它们都有从外界环境吸收砷的倾向——但GFAJ-1在这方面却更胜一筹：在缺乏磷元素的情况下，GFAJ-1能够吸收砷来取代含磷化合物中的磷从而继续存活下去。这种细菌能让砷参与其新陈代谢过程，甚至合成其生物高分子化合物。 为了验证GFAJ-1可以在莫诺湖环境里以砷代替磷来生存繁衍的猜想，沃尔夫-西蒙在湖岸采集了GFAJ-1的样本并尝试着利用无磷培养基培养它们。所谓“无磷培养基”，是以40mmol/L砷酸盐为主要溶质、仍可能含有3.1 (± 0.3)μmol/L残留磷酸盐杂质的试剂。 研究人员发现在高砷无磷的环境下，该细菌仍能够生长和繁殖，且六天时间内细菌浓度增长了20倍，这个速度仅比在传统的含磷培养基中稍慢。在高砷环境中，GFAJ-1的含砷量占到其干重的0.19%——而在对照组中砷的含量仅为0.001%。在试剂中完全除去磷或砷都将阻碍GFAJ-1细菌的生长。在缺磷环境下，该细菌的磷含量只占其干重的0.019 (± 0.001) %，是在1.5mmol/L的纯磷酸盐溶液（不含砷酸盐）中培养后测得的含量的三十分之一，也只有其他大多数细菌的百分之一左右，且这时的磷含量仅仅占该细菌细胞砷含量（干重占0.19(± 0.25)%）的十分之一。当放入砷酸盐溶液中培养时，GFAJ-1的生长速率只有在磷酸盐溶液中的60%。研究同时发现，在缺磷环境下，细菌的细胞内容积扩增至正常情况下的1.5倍。据猜测，增大的容积可能与与其细胞内部大液泡的出现有关。 研究人员利用同位素示踪法研究了GFAJ-1细胞内砷元素的分布：他们将用放射性同位素标记过的砷酸盐添加入溶液中以追踪其中砷元素的动向，发现（标记过的）砷元素出现在了GFAJ-1细胞中的蛋白质、脂质和ATP等有机物中，研究人员甚至在其DNA和RNA中也发现了砷元素的存在。 研究人员用酚/氯仿抽提法来萃取静止态（stationary phase）缺磷GFAJ-1细胞的核酸（先后用1体积苯酚、3体积苯酚与氯仿的1:1混合液及1体积氯仿萃取核酸），再利用乙醇沉淀。对获得的核酸进行的放射性测量显示：GFAJ-1细胞吸收的砷元素中，约有百分之十（11.0±0.1%）最终进入其核酸分子内。 原核细胞与真核细胞的磷脂（细胞膜结构的主要成份）、三磷酸腺苷等细胞直接能源物质及DNA等储存遗传信息并控制蛋白质表达的重要高分子化合中都存在磷酸酯结构，而在缺磷环境中的GFAJ-1细胞中，砷元素可能代替磷形成了与磷酸酯类似的砷酸酯（如出现在砷化DNA中的砷酸酯）。但由于砷的非金属性比磷弱，所以砷酸酯的稳定性比磷酸酯差且更易水解。如果研究人员对实验的结论（GFAJ-1将砷用于合成它的DNA和其他生物大分子）无误，那么GFAJ-1一定进化出了某种提高砷酸酯稳定性的方法，或是通过其他途径打破了这个局限。据沃尔夫-西蒙推测，GFAJ-1能通过将含砷分子隔离在富含聚-β-羟基丁酸酯（poly-β-hydroxybutyrate）的大液泡中从而将砷酸酯的稳定性提高到一定程度并且降低水的活性度。值得注意的是，这些大液泡只在该细菌被培养于含砷环境下时才会出现，在含磷环境下则没有。 史蒂芬·A·班讷（英语：Steven_A._Benner）（Steven A. Benner）对该细菌DNA能以砷代磷表示质疑，认为沃尔夫－西蒙在实验室培养时所用的培养液中杂质里的磷酸盐含有量已足以满足细菌DNA对磷的需求。因而他坚信砷化物更有可能被用于细菌细胞的其他部位。 在线杂志《Slate》的科学编辑卡尔·齐默（Carl Zimmer）在谈论到科学家对此的质疑时表示：“我与许多专家进行了沟通……他们均一致表示，NASA的科学家们把这个事情搞砸了。”不列颠哥伦比亚大学的微生物学家罗茜·雷德菲尔德（Rosie Redfield）认为这一论文里面“并未对DNA或者其它分子中含有砷提供强有力的证据”，并且提出试验缺乏清洗步骤以及对照实验，因此不能证明他们的结论是正确的。哈佛大学微生物学家亚历·布拉德利（Alex Bradley）评论道，论文中提到的含砷化合物在水中很可能是不能稳定存在的。 GFAJ-1是现已知的生命中首个可以在磷含量极少乃至无磷环境中生长的物种。这个发现在太空生物学领域上可谓意义深远。一些太空生物学家们据此推断说，这表明了当处于可用磷大量短缺的环境中时，生命体依旧可以存在，从而延展了在宇宙中其他地方找寻生命的可能性。长期以来的假说认为，外星生命或与地球生命有着截然不同的化学组成，而此项发现正为该假说提供了强有力的证据，并或可对寻觅外星生命有所助力。也有推测称这种以砷代磷的现象可以追溯到地球的生命起源，因为这种现象可能发生在富含砷的海底火山环境中。 卡特斯奈尔逊, 阿拉. 亲砷微生物或可重定义生命的化学概念. 《自然新闻》. 2010-12-02 [2010-12-02]. （原始内容存档于2012-02-24） （英语）.  Palmer, Jason. “亲砷细菌将有助于搜寻外星生命. 《BBC新闻》. 2010-12-02 [2010-12-02]. （原始内容存档于2010-12-03） （英语）.  鲍特曼, 亨利. 亲砷细菌点明外星生命形态新可能. Space.Com 网站. 2010-12-02 [2010-12-02]. （原始内容存档于2010-12-04） （英语）.  鲍特曼, 亨利. “寻觅外星生命于地球”. 《太空生物学》杂志 (美国宇航局). 2009-10-05 [2010-12-02]. （原始内容存档于2013-07-09） （英语）.  费莉莎·沃尔夫－西蒙，等人. 一种能利用砷取代磷来生长的细菌. 《科学》杂志. 2010. doi:10.1126/science.1197258 （英语）.  Wolfe-Simon, Felisa; Blum, Jodi Switzer; Kulp, Thomas R.; Gordon, Gwyneth W.; Hoeft, Shelley E.; Pett-Ridge, Jennifer; Stolz, John F.; Webb, Samuel M.; Weber, Peter K.; Davies, Paul C.W.; Anbar1, Ariel D.; Oremland, Ronald S. A bacterium that can grow by using arsenic instead of phosphorus: Supporting online material (PDF). Science. 2010-12-02 [2010-12-02]. doi:10.1126/science.1197258. （原始内容存档 (PDF)于2011-01-04）.  引文使用过时参数coauthors (帮助) 韦斯特海默, 弗兰克·亨利. 缘何大自然选择了磷？ (PDF). 《科学》杂志. 1987-03-06, 235 (4793): 1173–1178 (see pp. 1175–1176) [2010-12-03]. doi:10.1126/science.2434996. （原始内容 (PDF)存档于2011-06-16） （英语）.  鲍特曼, 亨利. “茁壮成长的砷”. 《太空生物学》杂志 (美国宇航局). 2010-12-02 [2010-12-04]. （原始内容存档于2010-12-04） （英语）.  Zimmer, Carl. Scientists see fatal flaws in the NASA study of arsenic-based life. Slate. 7 December 2010 [2010-12-07]. （原始内容存档于2011-09-23）.  Redfield, Rosie. Arsenic-associated bacteria (NASA's claims). RR Research blog. 4 December 2010 [2010-12-04]. （原始内容存档于2010-12-07）.  莫诺湖的砷能证明存在暗藏的生物圈吗？ （页面存档备份，存于互联网档案馆）（英文）, 泰晤士报, 2010年3月4日, 2010年12月2日续 瑞利, 迈克尔. “早期生命或仰赖于含砷DNA”. 《新科学家》杂志. 2008年4月26日, 198 (2653): 10 [2010年12月4日]. doi:10.1016/S0262-4079(08)61007-6. （原始内容存档于2008年7月25日） （英语）.  潘尼西, 伊丽莎白. 毒？细菌以砷构建DNA以及其他生物分子. 《科学》杂志 (美国科学促进会（简称AAAS）). 2010年12月3日, 330 (6009): 1302 [2010-12-02]. doi:10.1126/science.330.6009.1302. （原始内容存档于2010-12-08） （英语）.  美国宇航局－《太空生物学》杂志：“寻觅外星生命于地球”（页面存档备份，存于互联网档案馆）（英文） 美国宇航局：“美国宇航局研究基金会发现了以有毒物质构建的生命体”（页面存档备份，存于互联网档案馆）（英文） 自然新闻：“食砷微生物或可重定义生命的化学概念”（页面存档备份，存于互联网档案馆）（英文） 费莉莎·沃尔夫－西蒙的网站（英文） 生物学主题 遗传学主题 地质微生物学（英语：Geomicrobiology）（Geomicrobiology） 砷生物化学（Prebiotic arsenic） 假定型生物化学（Hypothetical types of biochemistry） 砷DNA（Arsenic DNA） 核酸类似物（英语：Nucleic acid analogue）（Nucleic acid analogues） 遗传密码拓展（Expanded genetic code） 影子生物圈（Shadow biosphere）