חיים עם ארסן

נמצא חיידק שיכול להשתמש ביסוד הרעיל ארסן כתחליף לזרחן

עם כל רבגוניותם, החיים המוכרים לנו על פני הפלנטה הכחולה מבוססים על ביוכימיה משותפת המבוססת בעיקר, אך לא רק, על שישה יסודות: פחמן, מימן, חמצן, חנקן, גופרית וזרחן. שישה יסודות אלה מרכיבים את ארבע המולקולות החשובות לקיום החיים: פחמימות, חלבונים, ליפידים וחומצות גרעין. קשה לנו לתאר כיצד ייתכנו חיים בלי אחד או יותר מיסודות אלה, אך כנראה שחיים כאלה בהחלט יתכנו, והם נכללים במסגרת התיאורטית של ביוכימיה אלטרנטיבית: בעבר כבר הועלתה האפשרות, ולא רק בספרות המדע הבדיוני, שצורן (Si), הנמצא מתחת לפחמן בטבלה המחזורית, יוכל להחליף אותו בחיים מבוססי צורן. הגופרית, שנמצאת מתחת לחמצן בטבלה המחזורית, אכן מחליפה לפעמים את החמצן בתפקודים ביולוגיים מסוימים, במיוחד בתנאים אל-אווירניים.

מתחת לזרחן (P) בטבלה המחזורית נמצא היסוד ארסן (As - המכונה גם זרניך) הדומה לו מאוד. אך במערכות הביולוגיות המוכרות לנו, למשל בייצור ATP במהלך הזרחון החימצוני, החלפת זרחן בארסן, בגלל הדמיון הרב ביניהם, משתקת לרוב את הפעילות, ולכן הארסן הוא חומר רעיל וככזה הוא מוכר בהיסטוריה הרפואית.

הארסן ותרכובותיו משמשים היום ובעבר כמדבירי חרקים וכחומרים תעשייתיים. לפני העידן האנטיביוטי השתמשו בתרכובות ארסן כתרופה למחלת העגבת (סיפיליס).

אגם מונו שבקליפורניה מזכיר במקצת את ים המלח שלנו. זה אגם סגור, רווי מלחים, שהאדם קיצץ את מרבית זרימת המים לתוכו במהלך 50 השנים האחרונות. בניגוד לים המלח, אגם מונו בסיסי מאוד (pH=~10). מאפיינים אותו מבנים המכונים מגדלי טופה (Tufa towers). מי האגם מכילים ריכוזים מאד גבוהים של ארסן (כ-200 מיקרומולר - כ-15 גרם, 15,000 מיקרוגרם, בליטר, לעומת ריכוז הארסן במי האוקיינוסים, שמגיע ל-2-1 מיקרוגרם לליטר).

באגם חיה ומשגשגת אוכלוסייה של חיידקים וארכאונים חובבי מלח ובסיסיוּת (הלופילים ואלקלופילים), וגם מעט יצורים מפותחים יותר שמותאמים לחיים באגם. כל היצורים החיים באגם נאלצו להסתגל לחיים בנוכחות ארסן, אך עכשיו מתברר שאחד מהם (לפחות...) עשה יותר מזה.

צוות חוקרים מסוכנות החלל האמריקנית (NASA) ומכוני מחקר נוספים, בראשות הביוגאוכימאית פליסה וולפה-סימון (Wolfe-Simon), בודדה חיידק מהמשקעים שלחופי האגם והוא מכונה זמנית GFAJ-1 (ראשי תיבות של Give Felisa a Job - על מאחורי הקלעים של גילוי החיידק ראו לקריאה נוספת). חיידק זה לא רק שהסתגל לחיים בנוכחות ארסן, אלא אף למד לנצל אותו ולהשתמש בו כתחליף לזרחן. כאשר הוא חסר, החיידק משתמש בארסן בכל התרכובות החשובות שאותן זרחן מרכיב, כ-DNA - החומר התורשתי, RNA, ליפידים וחלבונים וחומרים מזורחנים אחרים בעלי חשיבות ביולוגית מרכזית (ATP, NADH ואחרים).

GFAJ-1 הוא חיידק אווירני שצורתו מתג המשתייך, בהתאם לקביעת הרצף של ה-16S rRNA שלו, לחטיבת הפרוטאובקטריה, למשפחה Halomonadaceae ולסוג Halomonas.

בשלב הראשון בררו וולפה-סימון ועמיתיה חיידקים מהמשקעים שסביב לאגם במצע גידול מלאכותי המכיל ארסנט ושלא הכיל זרחן כלל. אחר כך גידלו החוקרים את החיידקים שנבררו במצע מלאכותי, המכיל מעט זרחה (PO₄^3-), הצורה הנפוצה של זרחן במערכות ביולוגיות, והרבה ארסנט (AsO₄^3-) - הצורה המקבילה של הארסן. החיידקים גדלו היטב. בהמשך, כשהעבירו אותם למצע גידול חדש המכיל ארסנט, ללא זרחה כלל, הם גדלו היטב גם שם. במצע גידול ללא ארסנט וללא זרחה לא גדלו החיידקים כלל. מעניין לציין שגודל תאי החיידקים השתנה בהתאם לתנאי הגידול, ובנוכחות ארסנט התאים היו גדולים בכ-50% יחסית לגודלם בנוכחות זרחה בלבד.

כדי לבדוק שהארסן אכן נכלל בכל המולקולות שאותן מרכיב הזרחן, השתמשו החוקרים בארסן רדיואקטיבי (⁷⁷AsO₄^3-), שאותו הוסיפו למצע הגידול של החיידקים. אחר כך עקבו אחרי ההתפלגות הרדיואקטיביות במקטעים השונים שאותם בודדו מהחיידקים: הרדיואקטיביות התרכזה כצפוי במקטעי החלבונים וחומצות הגרעין (DNA ו-RNA) ומיעוטה במקטע הליפידי. החידוש בעיקרי בחיידק זה הוא הרחבת האפשרויות למצוא חיים במקומות בהם הביוכימיה ה"קונבנציאלית" לא מתאפשרת.

המחקר של וולפה-סימון ועמיתיה התפרסם לראשונה ב-2 בדצמבר 2010, בגרסה המקוונת של כתב העת המדעי החשוב Science, במקביל למסיבת עיתונאים מתוזמנת ומתוקשרת של נאס"א. מה לנאס"א ולחיידק המיוחד הזה? נאס"א מחפשת חיים בחלל, ולשם כך היא מתעניינת בחקר חיים בסביבות קיצוניות על פני כדור הארץ ומסייעת למחקר. הנחת העבודה של האסטרוביולוגים (החוקרים המשלבים אסטרונומיה עם מיקרוביולוגיה; וראו לקריאה נוספת) היא שחיים בחלל יימצאו (אם בכלל) בסביבות הדומות לאותן סביבות הקיצוניות הקיימות על פני כדור הארץ. אגם מונו הוא סביבה קיצונית שכזו.

האם המחקר הזה קידם במשהו את הסיכויים למצוא חיים בחלל? כנראה שלא, כי היסוד ארסן נפוץ הרבה פחות ביקום מאשר היסוד זרחן, אך ימים יגידו...

GFAJ-1 הוא דוגמה ראשונה לכך, שביוכימיה אלטרנטיבית יכולה להתפתח כתוצאה מהסתגלות לתנאים שונים וקיצוניים. נחכה בעניין רב לדוגמאות נוספות.

לקריאה נוספת
המאמר המקורי ב-Science:
סיכום מסיבת העיתונאים של נאסא

ד"ר דרור בר-ניר, חיידקים בחלל?, "גליליאו" 139, מרס 2010

על החוקרת הראשית של המחקר פליסה וולפה-סימון והסיפור שמאחורי המחקר - ב-Wall street journal: