基本介紹
簡介,發現歷程,分類,培養與檢測,猜想,質疑,意義,
簡介
這種細菌甚至能用砷元素合成DNA與RNA等重要的生命化合物。 這種有機體（GFAJ-1）來自大自然……是一種已知細菌，並非全新品種，但先前沒有人發現它有這個能力（在缺磷條件下藉助砷生存繁殖）。
GFAJ-1菌落在含磷培養基上的生長狀況
GFAJ-1菌落在含磷培養基上的生長狀況發現歷程
FAJ-1是由一位美國宇航局（NASA）太空生物學研究員、前亞利桑那州立大學地球和空間探索學院學者、地質微生物學家費莉莎·沃爾夫－西蒙（Felisa Wolfe-Simon）在美國加利福尼亞州門洛公園（Menlo Park）的美國地質調查局駐地發現並培養的。2010年12月2日，這項發現被公之於眾。 2009年，費莉莎及其同事在門洛公園莫諾湖岸邊的沉積物中對此微生物群落進行了分離並開始隔離培養。門洛湖是一個鹹水湖，且其湖水中砷濃度之高也在世界湖泊前列（達200μmol/L）。
莫諾湖岸的石灰華岩層
莫諾湖岸的石灰華岩層分類
據對該細菌16S rRNA測序的結果，在生命大家族的族譜中，GFAJ-1應與鹽單胞菌科的其他親鹽類細菌具有親緣關係——這些細菌都是已知的可耐受高濃度砷環境的物種，它們都有從外界環境吸收砷的傾向——但GFAJ-1在這方面卻更勝一籌：在缺乏磷元素的情況下，GFAJ-1能夠吸收砷來取代含磷化合物中的磷從而繼續存活下去。這種細菌能讓砷參與其新陳代謝過程，甚至合成其生物高分子化合物。
培養與檢測
為了驗證GFAJ-1可以在莫諾湖環境裡以砷代替磷來生存繁衍的猜想，沃爾夫-西蒙在湖岸採集了GFAJ-1的樣本並嘗試著利用無磷培養基培養它們。所謂“無磷培養基”，是以40mmol/L砷酸鹽為主要溶質、仍可能含有3.1 (± 0.3)μmol/L殘留磷酸鹽雜質的試劑。 研究人員發現在高砷無磷的環境下，該細菌仍能夠生長和繁殖，且六天時間內細菌濃度增長了20倍，這個速度僅比在傳統的含磷培養基中稍慢。在高砷環境中，GFAJ-1的含砷量占到其乾重的0.19%——而在對照組中砷的含量僅為0.001%。在試劑中完全除去磷或砷都將阻礙GFAJ-1細菌的生長。在缺磷環境下，該細菌的磷含量只占其乾重的0.019 (± 0.001) %，是在1.5mmol/L的純磷酸鹽溶液（不含砷酸鹽）中培養後測得的含量的三十分之一，也只有其他大多數細菌的百分之一左右，且這時的磷含量僅僅占該細菌細胞砷含量（乾重占0.19(± 0.25)%）的十分之一。當放入砷酸鹽溶液中培養時，GFAJ-1的生長速率只有在磷酸鹽溶液中的60%。研究同時發現，在缺磷環境下，細菌的細胞內容積擴增至正常情況下的1.5倍。據猜測，增大的容積可能與與其細胞內部大液泡的出現有關。研究人員利用同位素示蹤法研究了GFAJ-1細胞內砷元素的分布：他們將用放射性同位素標記過的砷酸鹽添加入溶液中以追蹤其中砷元素的動向，發現（標記過的）砷元素出現在了GFAJ-1細胞中的蛋白質、脂質和ATP等有機物中，研究人員甚至在其DNA和RNA中也發現了砷元素的存在。研究人員用酚/氯仿抽提法來萃取靜止態（stationary phase）缺磷GFAJ-1細胞的核酸（先後用1體積苯酚、3體積苯酚與氯仿的1:1混合液及1體積氯仿萃取核酸），再利用乙醇沉澱。對獲得的核酸進行的放射性測量顯示：GFAJ-1細胞吸收的砷元素中，約有百分之十（11.0 ± 0.1 %）最終進入其核酸分子內。
猜想
原核細胞與真核細胞的磷脂（細胞膜結構的主要成份）、三磷酸腺苷等細胞直接能源物質及DNA等儲存遺傳信息並控制蛋白質表達的重要高分子化合中都存在磷酯結構，而在缺磷環境中的GFAJ-1細胞中，砷元素可能代替磷形成了與磷酯類似的砷酯（如出現在砷化DNA中的砷酯）。但由於砷的非金屬性比磷弱，所以砷酯的穩定性比磷酯差且更易水解。如果研究人員對實驗的結論（GFAJ-1將砷用於合成它的DNA和其他生物大分子）無誤，那么GFAJ-1一定進化出了某種提高砷酯穩定性的方法，或是通過其他途徑打破了這個局限。據沃爾夫-西蒙推測，GFAJ-1能通過將含砷分子隔離在富含聚-β-羥基丁酸酯（poly-β-hydroxybutyrate）的大液泡中從而將砷酯的穩定性提高到一定程度並且降低水的活性度。值得注意的是，這些大液泡只在該細菌被培養於含砷環境下時才會出現，在含磷環境下則沒有。
聚-β-羥基丁酸酯的結構
聚-β-羥基丁酸酯的結構質疑
史蒂芬·A·班訥（Steven A. Benner）對該細菌DNA能以砷代磷表示質疑，認為沃爾夫－西蒙在實驗室培養時所用的培養液中雜質里的磷酸鹽含有量已足以滿足細菌DNA對磷的需求。因而他堅信砷化物更有可能被用於細菌細胞的其他部位。
線上雜誌《Slate》的科學編輯卡爾·齊默（Carl Zimmer）在談論到科學家對此的質疑時表示：“我與許多專家進行了溝通……他們均一致表示，NASA的科學家們把這個事情搞砸了。”不列顛哥倫比亞大學的微生物學家羅西菲·爾德（Rosie Redfield）認為這一論文裡面“並為DNA或者其它分子中含有砷提供強有力的證據”，並且提出試驗缺乏清洗步驟以及對照實驗，因此不能證明他們的結論是正確的。哈佛微生物學家亞歷·布拉德利（Alex Bradley）評論道，論文中提到的含砷化合物在水中很可能是不能穩定存在的。
