GFAJ-1

GFAJ-1 הוא זן של חיידקים המשתייך למשפחת Halomonadaceae (אנ') זהו אקסטרמופיל שנמצא באגם מונו שבקליפורניה. החיידק התגלה על ידי החוקרת פליסה וולף-סיימון וצוותה במסגרת מחקר שנערך במרכז הגאולוגי של ארצות הברית ומומן על ידי נאס"א, משרד האנרגיה האמריקאי והמרכז הלאומי למשאבי מחקר (NCRR). מטרת המחקר הייתה לבחון האם ניתן למצוא חיידקים שיכולים להשתמש בארסן במקום זרחן לצורך קיום חיים. ארסן הוא יסוד רעיל שמבחינה כימית דומה לזרחן, אך בניגוד לו, משבש את רוב התהליכים המטבוליים הרגילים ביצורים חיים. במחקרם, החוקרים גילו כי החיידק GFAJ-1 יכול לגדול בסביבה המכילה ארסן במקום זרחן. הם השתמשו במשקעים מקרקעית אגם מונו והוסיפו כמות הולכת וגדלה של ארסן לתמיסה, עד שהצליחו לבודד את החיידק המסוגל לשרוד בתנאים אלו. התוצאות הראו כי החיידק מסוגל להשתמש בארסן לבניית חומרים חיוניים בתא, כולל חלבונים, ליפידים וחומצות גרעין, מה שמעלה שאלות לגבי גמישותם של חיים ויכולת הסתגלותם לתנאים קיצוניים. הממצאים הראשוניים עוררו דיון מדעי נרחב, כאשר חוקרים נוספים הראו שקיים ספק לגבי היכולת האמיתית של GFAJ-1 להחליף זרחן בארסן באופן מוחלט. מחקרים מאוחרים יותר הראו שהחיידק זקוק עדיין לזרחן בכמויות קטנות לצורך גדילה, ושארסן אינו יכול להחליף אותו לחלוטין במבנים החיוניים של התא. רצף הגנום של החיידק GFAJ-1 פורסם כעת ב-GenBank. בשנת 2010, צוות מחקר בהובלת ד"ר פליסה וולף-סיימון, פורסם בכתב העת המדעי Science, הציג את החיידק GFAJ-1. המחקר נערך במסגרת התוכנית לאסטרוביולוגיה של נאס"א בשיתוף פעולה עם המכון הגאולוגי של ארצות הברית (USGS) ומומנים על ידי משרד האנרגיה האמריקאי והמרכז הלאומי למשאבי מחקר (NCRR). החוקרים הציעו כי GFAJ-1 מסוגל לגדול ולהתרבות בתנאים עשירים בארסן, ללא צורך במקור זרחן חיצוני. ארסן הוא יסוד רעיל שמבחינה כימית דומה לזרחן, מה שמאפשר לו להחליף אותו בתהליכים ביוכימיים מסוימים. החוקרים הוסיפו כמות הולכת וגדלה של ארסן לתמיסה המכילה את החיידק, והבחינו כי הוא מסוגל לגדול ולשגשג גם בתנאים אלו. הניסוי כלל שימוש בקרני רנטגן דקיקות כדי לאתר את מיקום הארסן בתאי החיידק, והתוצאות הצביעו על כך שהארסן משולב במבנים החיוניים של התא, כולל DNA, חלבונים, ליפידים ומטבוליטים אחרים. עם פרסום המחקר, היו תגובות מעורבות מצד הקהילה המדעית. חלק מהחוקרים קיבלו את הממצאים בהתלהבות וראו בהם פוטנציאל לשנות את ההבנה הקיימת לגבי החיים, במיוחד בהקשר של חקר אסטרוביולוגיה ותנאי קיום אפשריים בכוכבי לכת אחרים. המחקר המקורי זכה לתשומת לב רבה והתפרסם במהירות בתקשורת המדעית והפופולרית, כולל דיונים על השלכותיו האפשריות לחקר החיים ולביולוגיה כללית. הממצאים עוררו שאלות לגבי המנגנונים הביוכימיים שמאפשרים לחיידק לשרוד ולשגשג בתנאים רעילים בארסן. המחקר המקורי על GFAJ-1, אשר טען כי החיידק מסוגל להחליף זרחן בארסן, עורר דיון ומחלוקת נרחבת בקהילה המדעית. עם פרסום הממצאים ב-2010, היו חוקרים רבים שהטילו ספק במסקנות המחקר ובשיטות בהן השתמשו החוקרים. המדענית רוזי רדפילד מאוניברסיטת קולומביה הבריטית הייתה אחת המבקרות החריפות ביותר של המחקר. היא הצביעה על פגמים רבים בשיטות המחקר, כולל חוסר שליטה בניקיון התרביות ואי-התחשבות בזיהום אפשרי של הזרחן בתרביות, אשר יכלו להסביר את הגדילה של החיידקים בתנאי מעבדה. מחקרים עוקבים שנעשו על ידי קבוצות מחקר נוספות לא הצליחו לשחזר את הממצאים המקוריים. צוות חוקרים משווייץ מצא כי כמות המטבוליטים המבוססים על ארסן שהחיידקים יצרו הייתה מזערית ולא הייתה מספקת כדי לקיים את החיידקים. בנוסף, צוות מחקר מראשותו של מרשל ריבס מאוניברסיטת פרינסטון, בשיתוף פעולה עם רדפילד, מצא כי GFAJ-1 לא מצליח לגדול בהיעדר זרחן, וכי לא נמצא ארסן משולב ב-DNA של החיידקים. התגובות המחקריות לממצאים של וולף-סימון העלו שאלות רבות לגבי היכולת האמיתית של ארסן להחליף זרחן בתהליכים ביוכימיים. בין השאלות המרכזיות שעלו היו: האם הזרחן שהיה קיים בתרביות במקור הספיק כדי לתמוך בחיים, האם הארסן שב-DNA היה יציב מספיק כדי לשמור על תפקוד מולקולרי, ואילו מנגנונים אפשריים מאפשרים לחיידקים לשרוד ברמות גבוהות של ארסן בסופו של דבר, המחקרים המאוחרים יותר הסיקו כי GFAJ-1 הוא חיידק עמיד לארסן, אך הוא עדיין זקוק לזרחן כדי לשגשג. הממצאים הללו עזרו להבהיר את ההבנה לגבי יכולות החיידק ולגבי מגבלות המחקר המקורי. לגילוי של GFAJ-1 יש השפעות נרחבות על הביולוגיה והאסטרוביולוגיה. אחת המשמעויות המרכזיות היא האפשרות לשינוי ההגדרה של חיים, והבנת המנגנונים שמאפשרים לחיידקים לשרוד בתנאים קיצוניים. ארסן נחשב בדרך כלל לרעיל, אך היכולת של GFAJ-1 להשתמש בו מרמזת על כך שחיים יכולים להתקיים גם בסביבות שאינן ידידותיות כפי שחשבנו. תגלית זו יכולה להרחיב את החיפוש אחר חיים בכוכבי לכת אחרים, במיוחד בכוכבים שבהם זרחן אינו זמין. ההבנה כיצד חיידקים יכולים להשתמש בארסן עשויה לספק תובנות לגבי החיים במקומות שבהם התנאים שונים משמעותית מכדור הארץ. עם זאת, המחקרים העוקבים שהראו כי GFAJ-1 עדיין זקוק לזרחן, גם אם בכמויות קטנות, מסייגים את ההנחות הראשוניות. ממצאים אלו מדגישים את החשיבות של בקרה מדעית ואימות ממצאים חדשים. במונחים רחבים יותר, המחקר על GFAJ-1 מדגיש את החשיבות של חקר מיקרואורגניזמים בתנאים קיצוניים ויכולתם להסתגל לסביבות שונות. זה עשוי להוביל לפיתוחים בתחום הביוטכנולוגיה, במיוחד באזורים כמו טיהור מים והתמודדות עם זיהומים כימיים. אסטרוביולוגיה מיקרואורגניזם הלופילים ביולוגיה סינתטית מדיה וקבצים בנושא GFAJ-1 בוויקישיתוף Bortman, Henry (5 באוקטובר 2009). "Searching for Alien Life, on Earth". Astrobiology Magazine (NASA). נבדק ב-2 בדצמבר 2010. {{cite web}}: (עזרה) Bacteria Can Grow Using Arsenic, National Institutes of Health (NIH), ‏2015-05-21 (באנגלית) Marshall Louis Reaves; Sunita Sinha; Joshua Rabinowitz; Leonid Kruglyak; Rosemary Redfield (8 ביולי 2012). "Absence of Detectable Arsenate in DNA from Arsenate-Grown GFAJ-1 Cells". Science. 337 (6093): 470–3. arXiv:1201.6643. Bibcode:2012Sci...337..470R. doi:10.1126/science.1219861. PMC 3845625. PMID 22773140. {{cite journal}}: (עזרה) "Halomonas sp. GFAJ-1". U.S. National Library of Medicine. נבדק ב-11 בדצמבר 2011. {{cite web}}: (עזרה) Wolfe-Simon, Felisa; Blum, Jodi Switzer; Kulp, Thomas R.; Gordon, Gwyneth W.; Hoeft, Shelley E.; Pett-Ridge, Jennifer; Stolz, John F.; Webb, Samuel M.; et al. (2 בדצמבר 2010). "A bacterium that can grow by using arsenic instead of phosphorus" (PDF). Science. 332 (6034): 1163–1166. Bibcode:2011Sci...332.1163W. doi:10.1126/science.1197258. PMID 21127214. {{cite journal}}: (עזרה) Rebecca Boyle, New Studies Say No, Life Can't Live on Arsenic Alone, Popular Science, ‏2012-07-09 (באנגלית אמריקאית) Clara Moskowitz published, Debate Reignited Over Claim of Arsenic-Based Life, livescience.com, ‏2011-05-27 (באנגלית) The Arsenic-Based-Life Aftermath, Chemical & Engineering News (באנגלית)