นักวิทยาศาสตร์จากหนังสือพิมพ์สารหนูแบคทีเรียตอบสนองต่อการวิพากษ์วิจารณ์

Backlash จากกระดาษ“ สารหนูชีวิต” ที่เผยแพร่เมื่อวันที่ 2 ธันวาคมยังคงดำเนินต่อไป คำวิจารณ์บางอย่างเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ในขณะที่คำวิจารณ์อีกมากมายเกี่ยวกับการรายงานข่าวและวิธีที่นาซ่าแนะนำหรือ "ล้อเล่น" สาธารณะด้วยข่าวโดยใช้คำว่า "โหราศาสตร์" และ "ชีวิตนอกโลก" ใน ประกาศของการแถลงข่าวที่จะเกิดขึ้น วันนี้ในการประชุม American Geophysical Union นักวิทยาศาสตร์หนึ่งในทีม Ron Oremland ได้พูดคุยถึงผลกระทบจากการรายงานข่าวและฉันจะให้ภาพรวมของสิ่งนั้นในไม่ช้า ในเวลาเดียวกันทีมวิทยาศาสตร์ได้ออกแถลงการณ์และคำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับกระดาษวิทยาศาสตร์ ด้านล่างนี้คือข้อความและข้อมูลที่ทีมวิทยาศาสตร์จัดให้

การตอบคำถามที่เกี่ยวข้องกับบทความวิทยาศาสตร์“ แบคทีเรียที่สามารถเติบโตได้โดยใช้สารหนูแทนที่จะเป็นฟอสฟอรัส”

- ณ วันที่ 16 ธันวาคม 2010 -

บทความวิจัยที่ตีพิมพ์เมื่อวันที่ 2 ธันวาคม 2010 โดยวารสาร Science ให้หลักฐานหลายบรรทัดโดยรวมเสนอว่าแบคทีเรียที่แยกได้จากทะเลสาบโมโนของแคลิฟอร์เนียสามารถทดแทนสารหนูในสัดส่วนฟอสฟอรัสและรักษาอัตราการเติบโต

การค้นพบนี้น่าแปลกใจเพราะองค์ประกอบหกอย่างคือคาร์บอนออกซิเจนไฮโดรเจนไนโตรเจนซัลเฟอร์และฟอสฟอรัสประกอบด้วยโมเลกุลอินทรีย์ส่วนใหญ่ในสิ่งมีชีวิตรวมถึงกรดนิวคลีอิกโปรตีนและไขมัน นักวิทยาศาสตร์ที่ไม่เกี่ยวข้องกับทีมวิจัยจึงได้ถามคำถามที่ท้าทายอย่างเหมาะสมเกี่ยวกับการวิจัย

จุดประสงค์หลักของการตีพิมพ์เชิงวิชาการคือการพัฒนาวิทยาศาสตร์ด้วยการนำเสนอข้อมูลที่น่าสนใจและเสนอสมมติฐานที่ทดสอบได้ เป็นที่เข้าใจกันว่าการค้นพบที่น่าประหลาดใจที่สุดมักจะสร้างการตอบสนองและการตรวจสอบอย่างเข้มงวดจากชุมชนวิทยาศาสตร์ โพสต์สิ่งพิมพ์ตอบสนองต่อการวิจัยเดิมและความพยายามในการทดสอบและทำซ้ำผลลัพธ์โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีของการค้นพบที่ไม่คาดคิดเป็นกลไกที่จำเป็นสำหรับการพัฒนาความรู้ทางวิทยาศาสตร์

บรรณาธิการวิทยาศาสตร์ได้รับความคิดเห็นทางเทคนิคและจดหมายที่ตอบสนองต่อบทความจำนวนมาก“ แบคทีเรียที่สามารถเติบโตได้โดยใช้สารหนูแทนฟอสฟอรัส” โดย Felisa Wolfe-Simon และเพื่อนร่วมงาน ความคิดเห็นและคำตอบจะได้รับการตรวจสอบและเราจะตีพิมพ์ในวารสาร Science ฉบับต่อไป

ในขณะเดียวกันในความพยายามที่จะส่งเสริมความเข้าใจของสาธารณชนในการทำงานบทความวิจัยและชิ้นส่วนข่าวที่เกี่ยวข้องได้ถูกเผยแพร่สู่สาธารณะผ่านเว็บไซต์วิทยาศาสตร์ในเดือนหน้า บทความเหล่านี้สามารถพบได้ทั่วไปที่นี่:

ทีมงาน Wolfe-Simon ตั้งทฤษฎีว่าบางทีแบคทีเรียบางตัวอาจใช้สารหนูหรือทนต่อการแทนที่ฟอสฟอรัสในโมเลกุลอินทรีย์เก็บจุลชีพจากทะเลสาบโมโนที่อุดมด้วยสารหนูแล้วค่อยทำการหย่านมพวกมันออกจากฟอสฟอรัส ทีมได้รายงานว่าพวกเขาทำตามขั้นตอนเพื่อแยกแยะการปนเปื้อนของฟอสฟอรัส พวกเขาสรุปว่าหลักฐานของพวกเขาชี้ให้เห็นว่าสารหนูได้แทนที่ฟอสฟอรัสในดีเอ็นเอของพวกเขาไปเล็กน้อย

ผู้เขียนอธิบายหลักฐานหลายประเภทรวมไปถึง:

* การจับคู่มวลสารพลาสมาเหนี่ยวนำ

ผู้เขียนรายงานว่าผลลัพธ์เหล่านี้เปิดเผยว่าสารหนูอยู่ภายในเซลล์แบคทีเรียบอกว่ามันไม่ได้เป็นเพียงสารปนเปื้อนที่ติดอยู่ด้านนอกของเซลล์

* การติดฉลากกัมมันตภาพรังสีของสารหนู

ทีมงานของ Wolfe-Simon กล่าวว่าหลักฐานนี้อนุญาตให้พวกเขาตรวจพบสารพิษตามปกติในโปรตีนไขมันกรดนิวคลีอิกและเศษส่วนของเซลล์เมตาบอไลต์โดยบอกว่ามันถูกนำไปเป็นโมเลกุลก่อตัวขึ้นในแต่ละส่วน

* สเปคโตรมิเตอร์มวลโมเลกุลความละเอียดสูงของ DNA หลังจากแยกออกจากแบคทีเรีย

ผู้เขียนรายงานว่าหลักฐานนี้ชี้ให้เห็นว่า DNA ที่แยกได้ยังคงมีสารหนูอยู่

* การวิเคราะห์เอ็กซ์เรย์ความเข้มสูง (ซิงโครตรอน)

จากหลักฐานนี้ผู้เขียนสรุปว่าสารหนูในแบคทีเรียดูเหมือนจะแทนที่ฟอสเฟตใน DNA และโมเลกุลอื่น ๆ

คำถามเกี่ยวกับการค้นพบมีแนวโน้มที่จะมุ่งเน้นไปที่ว่าแบคทีเรียได้รวมสารหนูลงใน DNA อย่างแท้จริงหรือไม่และว่าจุลินทรีย์ได้หยุดการใช้ฟอสฟอรัสอย่างสมบูรณ์หรือไม่ ในขณะที่ทีมต้องการตอบคำถามผ่านกระบวนการตรวจสอบโดยเพื่อนเฟลิซ่าวูล์ฟ - ไซมอนและรอนโอเรมแลนด์ได้ให้ข้อมูลเพิ่มเติมที่นี่ในฐานะบริการสาธารณะและเพื่อชี้แจงข้อมูลและขั้นตอนของพวกเขา วิทยาศาสตร์เน้นว่าคำตอบเหล่านี้ยังไม่ได้รับการตรวจสอบโดยเพื่อน พวกเขามีไว้ในนามของผู้เขียนเท่านั้นเป็นบริการข้อมูลสาธารณะในขณะที่ตรวจสอบอย่างเป็นทางการมากขึ้นของการตอบสนองต่อความคิดเห็นที่ส่งไปยังวิทยาศาสตร์อย่างต่อเนื่อง

Q & As เบื้องต้น

คำถาม: บางคนสงสัยว่า DNA ของคุณได้รับการทำความสะอาดอย่างเพียงพอโดยเทคนิคของคุณโดยใช้เจลอิเล็กโทรโฟเรซิสหรือไม่เพื่อแยกมันออกจากโมเลกุลอื่น ๆ คุณรู้สึกว่านี่เป็นข้อกังวลที่ถูกต้องหรือไม่?

ตอบ:

โปรโตคอลการสกัดดีเอ็นเอและการทำให้บริสุทธิ์ของเราเริ่มต้นด้วยเซลล์ที่ถูกล้างอัดเป็นก้อนจากสื่อ สิ่งเหล่านี้จะต้องผ่านขั้นตอนการสกัดดีเอ็นเอมาตรฐานซึ่งรวมถึงขั้นตอนหลายฟีนอลคลอโรฟอร์มเพื่อกำจัดสิ่งสกปรกรวมถึงสารหนูใด ๆ ที่เป็นหน่วยงาน (As) หลังจากนี้ DNA ถูก electrophoresed แยกดีเอ็นเอออกจากสิ่งสกปรก สารตกค้างใด ๆ จากสื่อจะถูกลบออกโดยการล้างเซลล์ก่อนที่จะทำการสกัดและโดยการแบ่งออกเป็นส่วนที่เป็นน้ำในระหว่าง 3 ฟีนอล: ขั้นตอนคลอโรฟอร์มในการสกัด ถ้าในฐานะที่รวมอยู่ในไขมันหรือโปรตีนก็จะมีการแบ่งออกเป็นฟีนอลฟีนอล: คลอโรฟอร์มหรือคลอโรฟอร์มเศษส่วน นอกจากนี้ DNA ที่สกัดในลักษณะนี้กับตัวอย่างอื่น ๆ ก็สามารถนำไปใช้ในการวิเคราะห์ต่อไปได้สำเร็จรวมถึง PCR ที่ต้องการ DNA ที่บริสุทธิ์สูง

สารหนูที่วัดโดย NanoSIMS ในแถบเจลนั้นสอดคล้องกับการวัดอื่น ๆ ของเราและหลักฐานอีกหนึ่งบรรทัด

การทดลอง radiolabeled 73AsO43- ของเราแสดงให้เห็นว่ารัศมีทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับเซลล์เม็ด 11.0% ± 0.1% มีความสัมพันธ์กับส่วน DNA / RNA สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าเราควรคาดหวังว่ามีสารหนูรวมของกรดนิวคลีอิกรวมอยู่ด้วย ในการตีความข้อมูลเหล่านี้เราได้ทำการตีความของเราร่วมกับหลักฐานของ EXAFS ซึ่งบ่งบอกว่าสารหนูในเซลล์คือ As (V) ผูกพันกับ C และไม่มีอิสระในการแก้ปัญหาในฐานะไอออน สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าในขณะที่โมเลกุลอินทรีย์ที่มีระยะทางพันธะสอดคล้องกับสภาพแวดล้อมทางเคมีที่คล้ายกับฟอสเฟต (รูปที่ 3A3, S3 "ตารางความยาวพันธะ") สนับสนุนการตีความของเราต่อการวิเคราะห์สองครั้งที่กล่าวถึงข้างต้นเราใช้หลักฐานบรรทัดที่สามจาก NanoSIMS ซึ่งเป็นเทคนิคที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากอีกสองรายการ เราพบสารหนูธาตุ (วัดโดย NanoSIMS) ที่เกี่ยวข้องกับเจลแบนด์ที่มีพื้นหลังมากกว่าสองเท่าในเจล จากการสนทนาข้างต้นเราไม่คิดว่านี่เป็นข้อกังวลที่ถูกต้อง

คำถาม: คนอื่น ๆ แย้งว่า DNA ที่เชื่อมโยงอาร์เซเนตควรหลุดจากกันอย่างรวดเร็วเมื่อสัมผัสกับน้ำ คุณสามารถพูดเรื่องนี้ได้ไหม

ตอบ:

เราไม่ได้ตระหนักถึงการศึกษาใด ๆ ที่ระบุว่าสารหนูตกค้างอยู่ในโพลีเอสเทอร์โซ่ยาวหรือนิวคลีโอไทด์ di- หรือไตรเอสเตอร์ของสารหนูซึ่งจะเกี่ยวข้องโดยตรงกับการศึกษาของเรา การศึกษาที่ตีพิมพ์แสดงให้เห็นว่าสารหนูธรรมดามีอัตราการไฮโดรไลซิสสูงกว่าฟอสเฟตเอสเทอร์ (1-3) การทดลองที่เผยแพร่จนถึงปัจจุบันได้พิจารณาการแลกเปลี่ยนหรือการไฮโดรไลซิสของอัลคิลไตรเอสเทอร์ของสารหนู [Eqn 1] และ alkyl di-esters ของ arsenite [Eqn 2]:

OAs (OR) 3 + H2O OAs (OH) (OR) 2+ ROH [1]

OAs (OH) (OR) 2 + H2O? OAs (OH) 2 (OR) + ROH [2]

โดยที่ R = methyl, ethyl, n-pentyl และ isopropyl การอ้างอิง 2 แสดงให้เห็นว่าอัตราการไฮโดรไลซิสสำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาอัลคิลแบบง่ายเหล่านี้ของอาร์เซเนตลดลงเมื่อเพิ่มความยาวสายโซ่คาร์บอน (ความซับซ้อน) ของอัลคิล substituent ไม่มีการดำเนินการใด ๆ เกี่ยวกับอัตราการไฮโดรไลซิสของนิวคลีโอไทด์ที่เชื่อมโยงกับอาร์เซเนตหรือสารอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องทางชีวภาพ

หากรายงานแนวโน้มอัตราการเกิดไฮโดรไลติกในหน่วยอ้างอิง 2 ยังคงมีสารอินทรีย์ที่มีน้ำหนักมากขึ้นเช่นที่พบในสารชีวโมเลกุลนั้นเป็นไปได้ว่าสารชีวภาพที่เชื่อมโยงกับอาร์เซเนตอาจมีความต้านทานต่อการไฮโดรไลซิสมากกว่าที่คิดไว้ก่อนหน้านี้ สารรูปแบบขนาดเล็กที่ตรวจสอบใน Refs 1-3 มีความยืดหยุ่นและสามารถนำรูปทรงเรขาคณิตที่เหมาะกับน้ำมาโจมตีพันธะอาร์เซโนเอสเตอร์ได้อย่างง่ายดาย อย่างไรก็ตามอาร์เซเนตเอสเทอร์ของโมเลกุลชีวภาพขนาดใหญ่มีแนวโน้มว่าจะขัดขวางไม่ให้นำไปสู่การไฮโดรไลซิสที่ช้าลง

ข้อ จำกัด steric ชนิดนี้ในบัญชีอัตราการเกิดปฏิกิริยาสำหรับช่วงกว้างของอัตราที่เห็นในพฤติกรรมของนิวคลีโอไทด์ที่เชื่อมโยงฟอสเฟตบางส่วน ในไรโบโซซีนเล็ก ๆ การเชื่อมโยงของ phophodiester ที่ไซต์ของตัวเร่งปฏิกิริยาสามารถไฮโดรไลซ์ได้ในเวลาสิบวินาที (โดยมีอัตราทางเคมี 1 s-1) การปรับปรุงอัตรานี้ทำได้โดยการวางแนวเชื่อมโยงสำหรับการโจมตีแบบอินไลน์โดยนิวคลีโอไฟล์ (กลุ่มที่อยู่ติดกัน 2 ′ไฮดรอกซิล) นอกจากนี้รูปแบบการ autodegradation สอดคล้องกับองค์ประกอบพื้นฐานที่เฉพาะเจาะจง ในทางตรงกันข้ามอัตราการไฮโดรไลซิสสำหรับพันธะฟอสฟอสซิสเตอร์ในรูปแบบ A duplexes ของ RNA นั้นมีคำสั่งจำนวนมากช้ากว่าเนื่องจากความเชื่อมโยงเหล่านี้ไม่สามารถเข้าถึงเรขาคณิตที่จำเป็นสำหรับการไฮโดรไลซิสได้ง่าย

อัตราของ DNA อาจช้ากว่าสารประกอบแบบจำลองมากเนื่องจากข้อ จำกัด ทางเรขาคณิตที่กำหนดโดยกระดูกสันหลัง

จลนพลศาสตร์ของการย่อยสลายของพอลิเมอร์ชีวภาพที่เชื่อมโยงกับอาร์เซเนตนั้นชัดเจนว่าเป็นพื้นที่ที่มีการวิจัยเพิ่มเติม

คำถาม: เป็นไปได้หรือไม่ที่เกลือในสื่อการเจริญเติบโตของคุณอาจให้ฟอสฟอรัสติดตามเพียงพอเพื่อรักษาแบคทีเรีย?

ตอบ:

ข้อมูลและตัวอย่างฉลากในตาราง S1 ทำให้เกิดความสับสน เพื่อความชัดเจนในการทดลองทุกครั้งน้ำ Mono Lake เทียมหนึ่งชุดถูกสร้างขึ้นด้วยสูตรต่อไปนี้: AML60 เกลือ, ไม่มี P, ไม่มี, ไม่มีกลูโคส, ไม่มีวิตามิน ตาราง S1 แสดงตัวอย่างของการวัด ICPMS ของธาตุฟอสฟอรัส (~ 3 µM) และสารหนูทำในสูตรนี้ก่อนที่จะเพิ่มเติมใด ๆ เพิ่มเติม จากนั้นเราก็เพิ่มกลูโคสและวิตามินสำหรับทั้งสามทรีทเม้นต์และสำหรับทั้ง + สำหรับทรีทเม้นต์หรือสำหรับทรีทเม้นต์ + P การวัดค่า P ที่ทำบนตัวกลางหลังจากเติมซูโครสและวิตามินและหลังจากเติม As เป็น ~ 3 µM ในชุดนี้ ดังนั้นจึงเป็นที่ชัดเจนว่า P บริสุทธิ์ใด ๆ ที่วัดได้ (~ 3 ~M นี่คือช่วงสูง) มาพร้อมกับเกลือที่สำคัญและการทดลองทั้งหมดมีพื้นหลัง P เหมือนกัน (รวมถึง P ใด ๆ ที่นำเข้ามาด้วยวัฒนธรรม inocula)

ในกระดาษ Science เราแสดงข้อมูลจากการทดลองหนึ่งครั้งของการทดลองที่ทำซ้ำหลายครั้งซึ่งแสดงให้เห็นว่าไม่มีการเติบโตของเซลล์ในสื่อโดยไม่ต้องเติมสารหนูหรือฟอสเฟต (รูปที่ 1) ข้อมูลเหล่านี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าสายพันธุ์ GFAJ-1 ไม่สามารถใช้ 3µM P เพื่อรองรับการเติบโตต่อไปหากไม่มีสารหนู ยิ่งไปกว่านั้นเนื้อหาภายในเซลล์ P ที่พิจารณาสำหรับ + ​​As / -P เซลล์ที่โตแล้วนั้นไม่เพียงพอที่จะรองรับความต้องการทั้งหมดของ P สำหรับการทำงานของเซลล์

หมายเหตุเกี่ยวกับการเลี้ยง: การทดลองทั้งหมดเริ่มต้นด้วย inocula จากเงื่อนไข + As / -P ที่ยั่งยืน ก่อนการทดลองเซลล์ได้รับการเจริญเติบโตในระยะยาวเป็นเวลาหลายชั่วอายุคนจากอาณานิคมเดียวที่เติบโตบนสื่อที่เป็นของแข็งโดยไม่ต้องเติมฟอสเฟต ก่อนหน้านี้พวกเขาเติบโตขึ้นเพื่อเป็นสื่อกลางสำหรับการถ่ายโอนมากกว่า 10 ครั้งและกลายเป็นสื่อใหม่ที่เป็น + As / -P เราจึงรู้สึกว่าไม่มีการดำเนินการอย่างมีนัยสำคัญของ P เรายังยืนยันว่าจะมีเซลล์ P ไม่เพียงพอที่จะรองรับการเติบโตเพิ่มเติมจากฐานการรีไซเคิลภายในของ P

คำถาม: มีอะไรอีกบ้างที่คุณอยากให้สาธารณชนเข้าใจเกี่ยวกับการวิจัยของคุณหรือกระบวนการทางวิทยาศาสตร์?

ตอบ: สำหรับพวกเราทุกคนทีมงานของเราสิ่งที่เป็นเช่นนี้เป็นไปไม่ได้ เราเป็นกลุ่มนักวิทยาศาสตร์ที่รวมตัวกันเพื่อจัดการกับปัญหาที่น่าสนใจจริงๆ เราแต่ละคนใช้ความสามารถของเราตั้งแต่ความกล้าหาญทางเทคนิคไปจนถึงการอภิปรายทางปัญญาไปจนถึงการตัดสินว่าอะไรเกิดขึ้นในการทดลองของเรา เรายอมรับอย่างอิสระในหนังสือพิมพ์และในสื่อมวลชนว่ามีงานของเราและนักวิทยาศาสตร์อื่น ๆ อีกมากมายที่ต้องทำ งานแถลงข่าวดังกล่าวยังรวมถึงผู้เชี่ยวชาญด้านเทคนิคดร. สตีเวนเบ็นเนอร์ผู้ซึ่งกล่าวถึงข้อกังวลบางอย่างที่เราตอบไว้ข้างต้น เหตุผลส่วนหนึ่งของเราในการนำงานนี้มาสู่ชุมชนคือการสร้างเครือข่ายทางปัญญาและทางเทคนิคสำหรับความร่วมมือเพิ่มเติมเพื่อตอบคำถามที่เอ่ยถึงมากมาย เรามีความโปร่งใสกับข้อมูลของเราและแสดงให้เห็นทุกตัวเลขและผลที่น่าสนใจ ข้อสรุปของกระดาษของเรานั้นขึ้นอยู่กับสิ่งที่เรารู้สึกว่าเป็นวิธีที่น่าเชื่อถือที่สุดในการตีความชุดการทดลองที่ไม่มีการทดลองเดี่ยวใดที่จะสามารถตอบคำถามใหญ่ได้ “ จุลินทรีย์สามารถใช้สารหนูแทนฟอสฟอรัสเพื่อรักษาการเติบโตของมันได้หรือไม่” วิทยาศาสตร์ที่ดีที่สุดเปิดคำถามใหม่สำหรับเราในฐานะชุมชนและจุดประกายความสนใจและจินตนาการของสาธารณชนทั่วไป ในฐานะนักสื่อสารและตัวแทนของวิทยาศาสตร์เรารู้สึกว่าการสนับสนุนความคิดใหม่ ๆ กับข้อมูลนั้นมีความสำคัญ แต่ก็ต้องสร้างความคิดใหม่ ๆ ให้ผู้อื่นคิดและนำความสามารถของพวกเขามาใช้ด้วย

เราหวังเป็นอย่างยิ่งว่าจะได้ทำงานร่วมกับนักวิทยาศาสตร์คนอื่น ๆ ไม่ว่าโดยตรงหรือโดยการทำให้เซลล์มีอยู่อย่างอิสระและให้ตัวอย่างดีเอ็นเอแก่ผู้เชี่ยวชาญที่เหมาะสมสำหรับการวิเคราะห์ของพวกเขาในความพยายามที่จะให้ข้อมูลเชิงลึกเพิ่มเติมเกี่ยวกับการค้นพบที่น่าสนใจนี้

อ้างอิง

1. T. G. Richmond, J. R. Johnson, J. O. Edwards, P. H. Rieger, Aust เจ. เคม 30, 1187 (1977)

2. C. D. Baer, ​​J. Rieger, Inorg 20, 905 (1981)

3. เจ. งานฝีมือ, วัว Soc ฉิม Fr. 14, 99 (1870)

4. Lagunas, D. Pestana, J. Diez-Masa, ชีวเคมี 23, 955 (1984)

ที่มา: เว็บไซต์ Iron Lisa ของ Felisa Wolf-Simon