2010-12-03

Subject: Bactéria que se alimenta de arsénico pode redefinir química da vida

 

Bactéria que se alimenta de arsénico pode redefinir química da vida

 

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@ NatureUma bactéria que se encontra em águas repletas de arsénico num lago da Califórnia está bem colocada para inverter a compreensão dos cientistas da bioquímica dos organismos vivos.

A bactéria parece ser capaz de substituir o fósforo pelo arsénico em alguns dos seus processos celulares básicos, sugerindo a possibilidade de uma bioquímica muito diferente da que conhecemos e que pode ser usada por organismos em ambientes extremos do passado ou do presente, na Terra ou noutros planetas.

Há muito que os cientistas pensavam que todos os seres vivos precisam de fósforo para funcionar, para além de outros elementos como o hidrogénio, oxigénio, carbono, azoto e enxofre. 

O ião fosfato PO43- desempenha vários papeis essenciais na célula: mantém a estrutura do DNA e RNA, combina-se com lípidos para formar as membranas celulares e transporta energia através da adenosina trifosfato (ATP) mas Felisa Wolfe-Simon, geoquímica e parceira de investigação em Astrobiologia da NASA no Geological Survey em Menlo Park, Califórnia, relata online na Science que um membro da família Halomonadaceae de proteobactérias pode usar o arsénico em vez do fósforo. A descoberta implica que "potencialmente podemos riscar o fósforo da lista de elementos necessários à vida", diz David Valentine, geomicrobiólogo na Universidade da Califórnia, Santa Barbara.

Muitos escritores de ficção científica têm proposto formas de vida que utilizam elementos alternativos, muitas vezes silício em vez de carbono, mas este é o primeiro caso num organismo real. 

O arsénico está logo abaixo do fósforo na tabela periódica e os dois elementos podem desempenhar um papel semelhante em reacções químicas. Por exemplo, o ião arseniato AsO43- tem a mesma estrutura tetraédrica e locais de ligação que o fosfato. Também é semelhante no aspecto de poder entrar na célula através do mecanismo de transporte do fosfato, contribuindo para a elevada toxicidade do arsénico para a maioria dos organismos.

Wolfe-Simon pensaram que os paralelos entre os dois elementos pode significar que apesar da sua toxicidade, o arsénico era capaz de desempenhar o papel do fósforo na célula. A sua busca por um organismo que não apenas tolerasse o arsénico mas que fizesse dele uso biológico levou-a ao lago Mono no leste da Califórnia. O lago de 180 quilómetros quadrados tem uma elevada concentração de arsénico devido aos minerais com este elemento que são lixiviados das montanhas próximas.

Wolfe-Simon recolheu lama do lago e acrescentou às amostras um meio salino artificial sem fósforo mas com elevado teor de arseniato. Seguidamente realizaram uma série de diluições com a intenção de lavar qualquer tipo de fosfato restante na solução e substituí-lo com arseniato. Descobriram que um tipo de bactéria na mistura parecia crescer mais rapidamente que as outras.

Os investigadores isolaram o organismo e descobriram que quando cultivado em solução de arseniato crescia a 60% da taxa a que cresce em solução de fosfato, não tão bem mas ainda assim robustamente. A cultura não cresceu de todo quando privada tanto de arseniato como de fosfato.

Quando os investigadores acrescentaram arseniato marcado radioactivamente à solução para seguir a sua distribuição, descobriram que o arsénico estava presente nas fracções celulares que continham as proteínas, lípidos e metabolitos como o ATP e glucose, bem como nos ácidos nucleicos. As quantidades de arseniato detectadas eram semelhantes às que seria de esperar de fosfato na bioquímica celular normal, sugerindo que o composto estava a ser usado da mesma forma pela célula.

A equipa usou duas técnicas diferentes de espectrometria de massa para confirmar que o DNA da bactéria continha arsénico, indicando, ainda que não provando directamente, que o elemento tinha tomado o papel do fosfato no esqueleto do DNA. Análise com raios-X tipo laser de um acelerador de partículas sincrotrónico indicaram que este arsénico tinha a forma de arseniato e formava ligações com o carbono e o oxigénio da mesma maneira que o fosfato.

 

"Os nossos dados sugerem fortemente que o arsénico substitui o fósforo", diz Wolfe-Simon, acrescentando que se a relativamente comum bactéria Halomonadaceae o pode fazer, provavelmente outro também. "Pode ser uma indicação para um outro mundo que ninguém viu."

Mary Voytek, que lidera o programa de astrobiologia da NASA em Washington DC, concorda que os resultados são persuasivos. "Penso que nenhuma das suas medições isoladamente podem provar" que o arseniato está a fazer o que o fosfato normalmente faria mas em conjunto "conservadoramente diria que é muito difícil encontrar uma explicação alternativa".

Para ser verdadeiramente convincente, no entanto, os investigadores têm que mostrar a presença de arsénico não apenas nas células bacterianas mas em moléculas específicas no seu interior, diz Barry Rosen, bioquímico na Universidade Internacional da Florida, Miami. "Seria bom se pudessem demonstrar que o arsénico no DNA está realmente no esqueleto da molécula."

Segundo ele, ainda falta na imagem a compreensão do que exactamente significa a substituição do fósforo pelo arsénico para a célula, diz Rosen. "O que realmente precisamos de saber é que moléculas na célula têm arsénico e se essas moléculas são activas e funcionais."

Por exemplo, se o fosfato no ATP foi substituído por arseniato, seria a reacção de transferência de energia que alimenta a célula igualmente eficiente? Em processos metabólicos em que o arseniato se liga à glucose, seriam essas ligações (mais fracas que as do fosfato) igualmente eficazes? E os grupos fosfato que se ligam a proteínas modificam a sua função, o arseniato teria os mesmos resultados? 

Outros têm observações mais profundas. "Falta estabelecer que a bactéria usa o arseniato como substituto do fosfato no seu DNA ou em qualquer outra biomolécula presente na biologia terrena 'standard'", diz Steven Benner, que estuda a química da origem da vida na Fundação para a Evolução Molecular Aplicada em Gainesville, Florida.

O arseniato forma ligações muito mais fracas em água do que o fosfato, que se degradam em minutos, diz ele, e apesar de poder haver outras moléculas que estabilizam estas ligações, os investigadores precisam de explicar essa discrepância para que a sua hipótese seja válida. Ainda assim, a descoberta é "simplesmente fenomenal" se se mantiver após mais análises químicas, acrescenta Benner. "Isso significa que muitas, muitas coisas são erradas em termos da forma como vemos as moléculas no sistema biológico."

Para além de questionar a assunção há muito corrente de que o fosfato é absolutamente essencial à vida, a existência da bactéria "fornece uma oportunidade para realmente desmontar a função do fósforo em diferentes sistemas biológicos", salienta Valentine. Pode mesmo existir uma forma de usar as bactérias que usam arsénico para combater a contaminação com este elemento no ambiente, diz ele.

Entretanto, Wolfe-Simon concorda que há muito ainda a fazer. O primeiro passo é verificar se esta ou outras bactérias substituem o fósforo pelo arsénico naturalmente, sem serem forçadas a faze-lo em laboratório, diz ela. Ela também tenciona sequenciar o genoma da bactéria. "Temos 30 anos de trabalho para perceber o que se passa." 

 

 

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