NASA-Funded Research Discovers Life Built With Toxic Chemical
Dwayne Brown
NASA Headquarters
Cathy Weselby
NASA Ames Research Center
NASA-funded astrobiology research has changed the fundamental knowledge about what comprises all known life on Earth.Researchers conducting tests in the harsh environment of Mono Lake in California have discovered the first known microorganism on Earth able to thrive and reproduce using the toxic chemical arsenic. The microorganism substitutes arsenic for phosphorus in its cell components."The definition of life has just expanded," said Ed Weiler, NASA's associate administrator for the Science Mission Directorate at the agency's Headquarters in Washington. "As we pursue our efforts to seek signs of life in the solar system, we have to think more broadly, more diversely and consider life as we do not know it."This finding of an alternative biochemistry makeup will alter biology textbooks and expand the scope of the search for life beyond Earth. The research is published in this week's edition of Science Express.Carbon, hydrogen, nitrogen, oxygen, phosphorus and sulfur are the six basic building blocks of all known forms of life on Earth. Phosphorus is part of the chemical backbone of DNA and RNA, the structures that carry genetic instructions for life, and is considered an essential element for all living cells.Phosphorus is a central component of the energy-carrying molecule in all cells (adenosine triphosphate) and also the phospholipids that form all cell membranes. Arsenic, which is chemically similar to phosphorus, is poisonous for most life on Earth. Arsenic disrupts metabolic pathways because chemically it behaves similarly to phosphate."We know that some microbes can breathe arsenic, but what we've found is a microbe doing something new -- building parts of itself out of arsenic," said Felisa Wolfe-Simon, a NASA Astrobiology Research Fellow in residence at the U.S. Geological Survey in Menlo Park, Calif., and the research team's lead scientist. "If something here on Earth can do something so unexpected, what else can life do that we haven't seen yet?"The newly discovered microbe, strain GFAJ-1, is a member of a common group of bacteria, the Gammaproteobacteria. In the laboratory, the researchers successfully grew microbes from the lake on a diet that was very lean on phosphorus, but included generous helpings of arsenic. When researchers removed the phosphorus and replaced it with arsenic the microbes continued to grow. Subsequent analyses indicated that the arsenic was being used to produce the building blocks of new GFAJ-1 cells.The key issue the researchers investigated was when the microbe was grown on arsenic did the arsenic actually became incorporated into the organisms' vital biochemical machinery, such as DNA, proteins and the cell membranes. A variety of sophisticated laboratory techniques was used to determine where the arsenic was incorporated.The team chose to explore Mono Lake because of its unusual chemistry, especially its high salinity, high alkalinity, and high levels of arsenic. This chemistry is in part a result of Mono Lake's isolation from its sources of fresh water for 50 years.The results of this study will inform ongoing research in many areas, including the study of Earth's evolution, organic chemistry, biogeochemical cycles, disease mitigation and Earth system research. These findings also will open up new frontiers in microbiology and other areas of research."The idea of alternative biochemistries for life is common in science fiction," said Carl Pilcher, director of the NASA Astrobiology Institute at the agency's Ames Research Center in Moffett Field, Calif. "Until now a life form using arsenic as a building block was only theoretical, but now we know such life exists in Mono Lake."The research team included scientists from the U.S. Geological Survey, Arizona State University in Tempe, Ariz., Lawrence Livermore National Laboratory in Livermore, Calif., Duquesne University in Pittsburgh, Penn., and the Stanford Synchroton Radiation Lightsource in Menlo Park, Calif.NASA's Astrobiology Program in Washington contributed funding for the research through its Exobiology and Evolutionary Biology program and the NASA Astrobiology Institute. NASA's Astrobiology Program supports research into the origin, evolution, distribution, and future of life on Earth.For more information about the finding and a complete list of researchers, visit:
'''Na specjalnej konferencji prasowej naukowcy z amerykańskiej agencji kosmicznej donieśli o odkryciu bakterii, w której DNA zidentyfikowali arsen. Wg autorów pracy to pierwsza znana forma życia na Ziemi, w której pierwiastek inny niż tlen, węgiel, wodór, azot, czy fosfor składa się na strukturę DNA.'''

NASA od kilku dni zapowiadała konferencję prasową na której zostanie przedstawione odkrycie, które zrewolucjonizuje naukę o życiu i jego poszukiwaniu poza Ziemią. Z nieoficjalnych wiadomości wiadomo było, że będzie ono dotyczyć arsenu. Keith Cowing, z portalu NASA Watch, dementował plotki o tym, że NASA odkryła życie pozaziemskie.

Zespół badawczy NASA odkrył w jeziorze Mono Lake (Kalifornia) bakterie '''GFAJ-1''' (z rodziny ''Halomonadacea''), w których DNA stwierdzili obecność arsenu w miejscach, gdzie normalnie występuje fosfor. O tym, że arsen stanowi szeroki analog fosforu w materii ożywionej wiadomo od dawna. Cecha ta stanowi zresztą jeden z powodów wysokiej toksyczności arsenu. 

Plik:GFAJ-1 electron-microscope.jpg|thumb|left|250px|Bakterie GFAJ-1 widziane przez mikroskop elektronowy
Bakterie były hodowane na pożywkach ubogich w fosfor, tak jak w naturalnych warunkach. Kolonie normalnie się rozmnażały. Gdy fosfor usunięto całkowicie, a zamiast niego w pożywce znalazł się arsen, ku zaskoczeniu naukowców, kolonie dalej rosły. Po wielu badaniach różnymi technikami naukowcy uznali, że bakterie użyły arsenu w miejsce fosforu do syntezy funkcjonalnych analogów szeregu biocząsteczek, przede wszystkim kwasów nukleinowych.

Łańcuch DNA bakterii z arsenem (zielone) występującym w zwyczajowym miejscu fosforu
Jeśli tezy autorów potwierdziłyby się, byłaby to pierwsza znana forma materii ożywionej, w której pierwiastek inny niż tlen, węgiel, wodór, azot czy fosfor wbudowany byłby w strukturę DNA. Do tej pory znane były tylko gatunki bakterii wykorzystujące reakcję związku arsenu z tlenem do produkcji energii. Od 2008 roku są też znane bakterie, które dokonują z udziałem arsenu reakcji będącej odpowiednikiem fotosyntezy.

Felisa Wolfe-Simon
Autorzy odkrycia uważają, że zmienia ono wiedzę o życiu na Ziemi, poszerzając jego definicję oraz  poszerza także warunki sprzyjające powstawaniu życia poza nią - warunki do życia opartego na arsenie mogą panować, na przykład na Tytanie, największym księżycu Saturna. Felisa Wolfe-Simon, kierownik naukowy projektu w ramach którego dokonano odkrycia, powiedziała, że "jeżeli coś tu na Ziemi potrafi zrobić coś tak niezwykłego, co jeszcze potrafi zrobić życie, a czego nie widzieliśmy?"

W konferencji wzięli udział:
* dr Mary Voytek, mikrobiolog, dyrektor programu badań astrobiologicznych NASA
* dr Felisa Wolfe-Simon, astrobiolog, U. S. Geological Survey, stowarzyszona z NASA
* dr Pamela Conrad, astrobiolog, Goddard Space Flight Center
* dr Steven Benner, biochemik i biofizyk, Foundation for Applied Molecular Evolution
* prof. James Elser, ekolog, Arizona State University

Badanie zostało opublikowane tego samego dnia w ''Science Express'' i szybko spotkało się z szeroką krytyką ze strony środowiska naukowego.