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¿Bacterias que usan arsénico para
fabricar biomoléculas?

Alberto González Fairén
La publicación de la posible existencia de bacterias capaces de vivir utilizando arsénico en lugar de fósforo ha generado multitud de titulares. Pero el descubrimiento dista aún mucho de estar verificado ni aceptado de forma general.
odos los seres vivos que habitamos sobre la Tierra, desde las bacterias hasta las ballenas azules, utilizamos los mismos seis elementos para realizar nuestras funciones vitales: carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre y fósforo. La química de la vida es tan específica que cualquier alteración de estos seis bioelementos cambia la estabilidad y la reactividad moleculares de un modo incompatible con la continuidad biológica. A principios de diciembre de 2010, Felisa Wolfe-Simon, del Instituto de Astrobiología de NASA, liderando a un acreditado grupo de investigadores estadounidenses, publicó en la revista Science el descubrimiento de una posible excepción a esta receta universal de la vida. Se trata de la bacteria GFAJ-1 (“Give Felisa A Job”) que, según
Wolfe-Simon y sus colaboradores, es capaz de reemplazar el fósforo por arsénico en sus biomoléculas, incluyendo proteínas, ADN, ARN, NAD y ATP, que contienen fosfatos. Según los autores, la sustitución sería posible porque el arsénico tiene propiedades químicas similares al fósforo, incluyendo un radio atómico equivalente y casi idéntica electronegatividad, y por eso ambos elementos se sitúan justamente uno debajo del otro en la tabla periódica. El origen de la toxicidad del arsénico para los seres vivos está motivado precisamente porque, al ser tan parecidos, las células intentan usar el arsénico en lugar del fósforo.

La búsqueda comenzó en el lago Mono, en California, conocido por sus elevadas salinidad y alcalinidad, y por contener altos niveles de fosfatos (88 mg/l) y arsénico (17 mg/l) en sus aguas. Una vez en el laboratorio, los microorganismos fueron aislados del lodo, y las muestras fueron expuestas a concentraciones cada vez mayores de arsenato, sin incluir fosfatos ni ningún otro compuesto que contuviera fósforo. Al contrario, los cultivos bacterianos fueron transferidos periódicamente a placas nuevas para reducir la concentración original de fósforo del lodo del lago y que hubiera podido ser incorporado inadvertidamente a los cultivos, de modo que cualquier microorganismo que estuviera fabricando nuevo ADN u otras biomoléculas se vería obligado a usar arsénico en lugar de fósforo para sobrevivir. Al cabo de unos días, el equipo de Wolfe-Simon pudo verificar la presencia de bacterias activas en los cultivos.
El lago Mono, en California
El lago Mono, en California.
(Fotografía del autor) Click para ampliar!
El descubrimiento, de confirmarse, significaría una profunda revolución en la Biología, con importantes implicaciones sobre nuestro conocimiento de la vida primitiva, la extremofilia y las posibilidades de existencia de vida en otros mundos. De hecho, NASA anunció el descubrimiento con un importante despliegue de medios que concitó la atención mayoritaria del mundo académico en diciembre de 2010. No obstante, han surgido multitud de voces críticas, y aún no se dispone de una confirmación independiente del descubrimiento.

Para corroborar la utilización de arsénico por parte de las bacterias, Wolfe-Simon y sus colaboradores realizaron una serie de pruebas. Primero comprobaron de nuevo que no había residuos de fósforo en las placas. En segundo lugar, verificaron mediante espectroscopía de masas que el arsénico se encontraba en el interior de las células, y no eran impurezas adheridas por fuera de la pared celular. En tercer lugar, añadieron arsénico marcado radiactivamente al medio de cultivo, que después pudieron identificar en proteínas, lípidos y ácidos nucleicos bacterianos. En cuarto lugar, emplearon rayos X para verificar que el arsénico se encontraba en forma de arsenato, y que formaba los necesarios puentes moleculares con átomos de carbono y oxígeno para reemplazar a los fosfatos en el ADN y en otras biomoléculas. Y, finalmente, analizaron cadenas de ADN aisladas y encontraron arsénico en ellas.

Sin embargo, la carencia de experimentos control y la aplicación incompleta de varias técnicas es patente en el artículo. Especialmente se echa en falta un control sobre el lavado de las células para eliminar el fósforo del medio, ya que resulta imposible evaluar la efectividad del lavado sin un referente de comparación. Además, en las tablas de datos se indica que las sales utilizadas en los medios de cultivo contenían un máximo de 3.1 µM de fósforo, cantidad suficiente para explicar el lento crecimiento observado en las colonias de GFAJ-1, similar al de otras colonias bacterianas a las que se proporciona una fuente de fósforo escasa.

La participación del arsénico en la estructura del ADN es igualmente problemática. La molécula de ADN interacciona con multitud de enzimas, que han de actuar con extremada precisión. Pero el radio covalente del arsénico es un 11% mayor que el del fósforo, y los enlaces As-O son un 13% más largos que los enlaces P-O del ADN. Las enzimas “normales” no podrían operar con las geometrías diferentes, o incluso variables, resultantes de la incorporación de arsénico. Por ejemplo, la ADN-polimerasa, encargada de la replicación del ADN, experimentaría un incremento sustancial en la tasa de error en la replicación, e incluso el proceso de copia se detendría. Por lo tanto, la participación del arsénico en la estructura del ADN parece imposible, lo que sugiere que el arsénico está simplemente adherido de alguna forma a las cadenas de ADN. Además, los autores sugieren que el arsénico se encuentra unido a átomos de carbono, y no a átomos de oxígeno tal como sucede con el fósforo en el ADN; por lo tanto, el arsénico no formaría parte de la estructura del ADN de GFAJ-1. Una prueba definitiva para corroborar la veracidad del descubrimiento podría ser la identificación de una enzima funcional formada con arsénico. Pero esta estrategia no está incluida en el artículo.

El arsénico podría encontrarse simplemente en las vacuolas celulares, almacenado y aislado como producto tóxico, y no estar incorporado a la bioquímica bacteriana. De este modo, el arsenato, que es mucho más inestable que el fosfato en agua, estaría protegido frente a la hidrólisis. En el propio artículo de Wolfe-Simon se reconoce que los mecanismos o regiones que aíslan al arsenato del agua son desconocidos. De igual modo, reconocen que la forma en que el arsenato se incorpora a las biomoléculas, y la manera en que tales biomoléculas funcionan, están por determinar. Posiblemente se requieren experimentos adicionales para aclarar todas estas dudas, y la publicación de los resultados parece prematura. Sobre todo porque los autores han declarado que pasará por lo menos un año antes de que estén en condiciones de ofrecer muestras de GFAJ-1 a otros investigadores para que puedan replicar y evaluar sus experimentos.

Por último, el equipo de Wolfe-Simon concluye que GFAJ-1 crece preferentemente con fósforo, pero que también puede crecer con arsénico. Por lo tanto, en ningún caso se trataría de un representante de una segunda biosfera, o una biosfera “oculta”, como se ha podido leer en varios medios de comunicación. Sería un organismo con una capacidad de adaptación extraordinaria, inédita para la ciencia, pero seguiría perteneciendo al mismo tipo biológico que las demás bacterias conocidas o que las ballenas azules. Como prueba irrefutable de este hecho, baste recordar que los experimentos de Wolfe-Simon y colaboradores incluyeron la amplificación del ADN mediante la técnica de PCR, usando “primers” universales para el ARN ribosómico 16S. Si GFAJ-1 contiene genes que codifican para el ARN ribosómico 16S, entonces GFAJ-1 no representa un tipo exótico de biosfera.

A fecha de redacción de este texto, finales de abril de 2011, el artículo de Wolfe-Simon y colaboradores continúa sin tener un formato definitivo de publicación en la web de Science: todavía aparece como una pre-publicación accesible únicamente en formato pdf, algo inédito en Science después de 5 meses. Eso sí, el acceso es gratuito, lo que también resulta inédito en la revista. Además, la revista aseguraba el 20 de diciembre de 2010 que a principios de 2011 publicaría algunas críticas al artículo de Wolfe-Simon, junto con las correspondientes respuestas de los autores del artículo original. Este esperado debate sigue sin ser publicado y la polémica sobre el posible descubrimiento continúa.
 
 
San Francisco (California), EEUU, 01 de Mayo de 2011.
 
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