GFAJ-1 - GFAJ-1

GFAJ-1
Cellules agrandies de la bactérie GFAJ-1 cultivées dans un milieu contenant de l'arséniate
Classement scientifique
Domaine:	Bactéries
Phylum:	Protéobactéries
Classer:	Gammaprotéobactéries
Ordre:	Océanospirillales
Famille:	Halomonadacées

GFAJ-1 est une souche de bactéries en forme de bâtonnets de la famille des Halomonadaceae . C'est un extrêmophile qui a été isolé du lac Mono hypersalin et alcalin dans l'est de la Californie par la géobiologiste Felisa Wolfe-Simon , chercheuse de la NASA en résidence au US Geological Survey . Dans une publication de 2010 dans la revue Science , les auteurs ont affirmé que le microbe, lorsqu'il est privé de phosphore , est capable de remplacer l' arsenic par un petit pourcentage de son phosphore pour soutenir sa croissance. Immédiatement après la publication, d'autres microbiologistes et biochimistes ont exprimé des doutes sur cette affirmation qui a été vigoureusement critiquée dans la communauté scientifique. Des études indépendantes ultérieures publiées en 2012 n'ont trouvé aucun arséniate détectable dans l'ADN de GFAJ-1, ont réfuté l'allégation et ont démontré que GFAJ-1 est simplement un organisme résistant à l'arséniate et dépendant du phosphate.

Découverte

Wolfe-Simon au lac Mono, 2010

La bactérie GFAJ-1 a été découverte par la géomicrobiologiste Felisa Wolfe-Simon , chercheuse en astrobiologie de la NASA en résidence au US Geological Survey à Menlo Park, en Californie . GFAJ signifie "Donnez un travail à Felisa". L'organisme a été isolé et cultivé à partir de 2009 à partir d'échantillons qu'elle et ses collègues ont collectés dans des sédiments au fond du lac Mono , en Californie, aux États-Unis. Le lac Mono est hypersalin (environ 90 grammes/litre) et très alcalin ( pH 9,8). Il possède également l'une des concentrations naturelles d' arsenic les plus élevées au monde (200 μ M ). La découverte a été largement médiatisée le 2 décembre 2010.

Taxonomie et phylogénie

L' analyse moléculaire basée sur des séquences d'ARNr 16S montre que GFAJ-1 est étroitement lié à d'autres bactéries halophiles modérées ("aimant le sel") de la famille des Halomonadaceae . Bien que les auteurs aient produit un cladogramme dans lequel la souche est nichée parmi les membres de Halomonas , y compris H. alkaliphila et H. venusta , ils n'ont pas explicitement attribué la souche à ce genre. De nombreuses bactéries sont connues pour être capables de tolérer des niveaux élevés d'arsenic et d'avoir une propension à l'absorber dans leurs cellules. Cependant, GFAJ-1 a été proposé de manière controversée pour aller plus loin ; lorsqu'il était privé de phosphore, il a été proposé d'incorporer à la place de l'arsenic dans ses métabolites et macromolécules et de continuer à croître.

La séquence du génome de la bactérie GFAJ-1 est désormais publiée dans GenBank .

Espèce ou souche

Formations de tuf le long de la rive du lac Mono

Dans l' article de la revue Science , GFAJ-1 est désigné comme une souche d'Halomonadaceae et non comme une nouvelle espèce . Le Code international de nomenclature des bactéries , l'ensemble des réglementations qui régissent la taxonomie des bactéries, et certains articles de l' International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology contiennent les lignes directrices et les normes minimales pour décrire une nouvelle espèce, par exemple les normes minimales pour décrire un membre des Halomonadacées . Les organismes sont décrits comme de nouvelles espèces s'ils remplissent certaines conditions physiologiques et génétiques, telles qu'une identité de séquence d' ARNr 16S généralement inférieure à 97 % avec d'autres espèces connues et des différences métaboliques permettant de les distinguer. En plus des indicateurs permettant de distinguer les nouvelles espèces des autres espèces, d'autres analyses sont nécessaires, telles que la composition en acides gras , la quinone respiratoire utilisée et les plages de tolérance et le dépôt de la souche dans au moins deux référentiels microbiologiques. Les nouveaux noms proposés sont indiqués en italique suivi de sp. nov. (et gén. nov. s'il s'agit d'un nouveau genre selon les descriptions de ce clade ).

Dans le cas de la souche GFAJ-1, ces critères ne sont pas remplis et la souche n'est pas prétendue être une nouvelle espèce. Lorsqu'une souche n'est pas attribuée à une espèce (par exemple en raison de données ou de choix insuffisants), elle est souvent étiquetée comme le nom du genre suivi de "sp." (c'est-à-dire des espèces indéterminées de ce genre) et le nom de la souche. Dans le cas de GFAJ-1, les auteurs ont choisi de se référer à la souche par désignation de souche uniquement. Les souches étroitement apparentées à GFAJ-1 comprennent Halomonas sp. GTW et Halomonas sp. G27, dont aucune n'a été décrite comme espèce valide. Si les auteurs avaient formellement attribué la souche GFAJ-1 au genre Halomonas , le nom serait donné comme Halomonas sp. GFAJ-1.

La base de données de taxonomie du génome attribue à GFAJ-1 sa propre espèce provisoire, Halomonas sp002966495 . Cela signifie que la souche tombe dans Halomonas du point de vue phylogénétique et que sa similitude de génome entier par rapport à d'autres espèces définies du genre est suffisamment faible. Ni la souche GTW ni la souche G27 n'ont de génome disponible pour la base de données pour exécuter sa classification.

Biochimie

Un milieu de croissance sans phosphore (qui contenait en fait 3,1 ± 0,3 M de phosphate résiduel, provenant des impuretés des réactifs) a été utilisé pour cultiver les bactéries dans un régime d'exposition croissante à l' arséniate ; le niveau initial de 0,1 mM a finalement été augmenté jusqu'à 40 mM. Les milieux alternatifs utilisés pour les expériences comparatives contenaient soit des niveaux élevés de phosphate (1,5 mM) sans arséniate, soit n'avaient ni phosphate ajouté ni arséniate ajouté. Il a été observé que GFAJ-1 pouvait croître à travers de nombreux doublements du nombre de cellules lorsqu'il était cultivé dans un milieu phosphate ou arséniate, mais ne pouvait pas croître lorsqu'il était placé dans un milieu de composition similaire auquel ni phosphate ni arséniate n'était ajouté. La teneur en phosphore des bactéries nourries à l'arsenic et privées de phosphore (telle que mesurée par ICP-MS) n'était que de 0,019 (± 0,001) % en poids sec, soit un trentième de celle lorsqu'elle est cultivée dans un milieu riche en phosphate. Cette teneur en phosphore n'était également que d'environ un dixième de la teneur moyenne en arsenic des cellules (0,19 ± 0,25% en poids sec). La teneur en arsenic des cellules mesurée par ICP-MS varie considérablement et peut être inférieure à la teneur en phosphore dans certaines expériences, et jusqu'à quatorze fois plus élevée dans d'autres. D'autres données de la même étude obtenues avec nano- SIMS suggèrent un excès d'environ 75 fois de phosphate (P) par rapport à l'arsenic (As) lorsqu'il est exprimé sous forme de rapports P:C et As:C, même dans les cellules cultivées avec de l'arséniate et sans phosphate ajouté. . Lorsqu'il est cultivé dans la solution d'arséniate, GFAJ-1 n'a augmenté que de 60% aussi vite qu'il l'a fait dans une solution de phosphate. Les bactéries privées de phosphate avaient un volume intracellulaire 1,5 fois la normale ; le plus grand volume semble être associé à l'apparition de grandes « régions de type vacuole ».

Micrographie électronique à balayage de cellules GFAJ-1 cultivées dans un milieu minimal défini additionné de phosphate 1,5 mM

Lorsque les chercheurs ont ajouté de l' arséniate marqué par un isotope à la solution pour suivre sa distribution , ils ont découvert que l'arsenic était présent dans les fractions cellulaires contenant les protéines , les lipides et les métabolites de la bactérie tels que l' ATP , ainsi que son ADN et son ARN . Les acides nucléiques provenant de cellules en phase stationnaire privées de phosphore ont été concentrés via cinq extractions (une avec du phénol , trois avec du phénol-chloroforme et une avec un solvant d'extraction chloroforme ), suivies d'une précipitation à l'éthanol . Bien que les preuves directes de l'incorporation de l'arsenic dans les biomolécules fassent encore défaut, les mesures de radioactivité suggèrent qu'environ un dixième (11,0 ± 0,1 %) de l'arsenic absorbé par ces bactéries se retrouve dans la fraction contenant les acides nucléiques (ADN et ARN). et tous les autres composés coprécipités non extraits par les traitements précédents. Une expérience témoin comparable avec du phosphate marqué par un isotope n'a pas été réalisée. Avec la distribution de la souche à la mi-2011, d'autres laboratoires ont commencé à tester indépendamment la validité de la découverte. Rosemary Redfield de l' Université de la Colombie-Britannique , à la suite de problèmes liés aux conditions de croissance, a étudié les exigences de croissance de GFAJ-1 et a découvert que la souche pousse mieux sur un milieu gélosé solide que sur une culture liquide. Redfield a attribué cela à de faibles niveaux de potassium et a émis l'hypothèse que les niveaux de potassium dans le milieu de base ML60 pourraient être trop faibles pour soutenir la croissance. Redfield, après avoir découvert et résolu d'autres problèmes (force ionique, pH et utilisation de tubes de verre au lieu de polypropylène), a découvert que l'arséniate stimulait légèrement la croissance, mais n'affectait pas les densités finales des cultures, contrairement à ce qui avait été affirmé. Des études ultérieures utilisant la spectrométrie de masse par le même groupe n'ont trouvé aucune preuve d'incorporation d'arséniate dans l'ADN de GFAJ-1.

Stabilité de l'ester d'arséniate

Structure du poly-β-hydroxybutyrate

On s'attend généralement à ce que les esters d' arséniate , tels que ceux qui seraient présents dans l'ADN , soient de plusieurs ordres de grandeur moins stables à l' hydrolyse que les esters de phosphate correspondants . Les dAMAs, l'analogue structurel de l'arsenic du bloc de construction d'ADN dAMP , ont une demi-vie de 40 minutes dans l'eau à pH neutre. Les estimations de la demi-vie dans l'eau des liaisons arsénodiester, qui relieraient les nucléotides entre eux, sont aussi courtes que 0,06 seconde, contre 30 millions d'années pour les liaisons phosphodiester dans l'ADN. Les auteurs supposent que les bactéries peuvent stabiliser les esters d'arséniate dans une certaine mesure en utilisant du poly-β-hydroxybutyrate (qui s'est avéré être élevé dans les "régions de type vacuole" d'espèces apparentées du genre Halomonas ) ou d'autres moyens pour réduire l' efficacité concentration d'eau. Les polyhydroxybutyrates sont utilisés par de nombreuses bactéries pour le stockage d'énergie et de carbone dans des conditions où la croissance est limitée par des éléments autres que le carbone, et apparaissent généralement sous la forme de gros granules cireux ressemblant étroitement aux "régions de type vacuole" observées dans les cellules GFAJ-1. Les auteurs ne présentent aucun mécanisme par lequel le polyhydroxybutyrate insoluble peut abaisser suffisamment la concentration efficace d'eau dans le cytoplasme pour stabiliser les esters d'arséniate. Bien que tous les halophiles doivent réduire l' activité de l' eau de leur cytoplasme par certains moyens pour éviter la dessiccation, le cytoplasme reste toujours un environnement aqueux.

Critique

L'annonce par la NASA d'une conférence de presse « qui aura un impact sur la recherche de preuves de la vie extraterrestre » a été critiquée comme sensationnaliste et trompeuse ; un éditorial du New Scientist a commenté "bien que la découverte de la vie extraterrestre, si elle se produisait un jour, serait l'une des plus grandes histoires imaginables, c'était à des années-lumière de cela".

En outre, de nombreux experts qui ont évalué le document ont conclu que les études rapportées ne fournissent pas suffisamment de preuves pour étayer les affirmations des auteurs. Dans un article en ligne sur Slate , l'écrivain scientifique Carl Zimmer a évoqué le scepticisme de plusieurs scientifiques : "J'ai contacté une douzaine d'experts... Presque à l'unanimité, ils pensent que les scientifiques de la NASA n'ont pas réussi à défendre leur cause". Le chimiste Steven A. Benner a exprimé des doutes quant au fait que l' arséniate ait remplacé le phosphate dans l'ADN de cet organisme. Il a suggéré que les traces de contaminants dans le milieu de croissance utilisé par Wolfe-Simon dans ses cultures de laboratoire sont suffisantes pour fournir le phosphore nécessaire à l'ADN des cellules. Il pense qu'il est plus probable que l'arsenic soit séquestré ailleurs dans les cellules. La microbiologiste de l'Université de la Colombie-Britannique, Rosemary Redfield, a déclaré que l'article "ne présente aucune preuve convaincante que l'arsenic a été incorporé dans l'ADN ou toute autre molécule biologique", et suggère que les expériences n'avaient pas les étapes de lavage et les contrôles nécessaires pour valider correctement leurs conclusions. . Le microbiologiste de Harvard Alex Bradley a déclaré que l'ADN contenant de l'arsenic serait si instable dans l'eau qu'il n'aurait pas pu survivre à la procédure d'analyse.

Le 8 décembre 2010, Science a publié une réponse de Wolfe-Simon, dans laquelle elle a déclaré que la critique de la recherche était attendue. En réponse, une page « Foire aux questions » pour améliorer la compréhension des travaux a été mise en ligne le 16 décembre 2010. L'équipe prévoit de déposer la souche GFAJ-1 dans les collections de cultures de l' ATCC et du DSMZ pour permettre une large diffusion. Fin mai 2011, la souche a également été mise à disposition sur simple demande auprès du laboratoire des auteurs. La science a rendu l'article disponible gratuitement. L'article a été publié sur papier six mois après son acceptation dans le numéro du 3 juin 2011 de Science . La publication était accompagnée de huit commentaires techniques abordant diverses préoccupations concernant la procédure expérimentale et la conclusion de l'article, ainsi qu'une réponse des auteurs à ces préoccupations. Le rédacteur en chef Bruce Alberts a indiqué que certains problèmes subsistent et que leur résolution sera probablement un long processus. Une revue de Rosen et al. , dans le numéro de mars 2011 de la revue BioEssays, discute des problèmes techniques avec l' article de Science , fournit des explications alternatives et met en évidence la biochimie connue d'autres microbes résistants à l'arsenic et utilisant l'arsenic.

Le 27 mai 2011, Wolfe-Simon et son équipe ont répondu aux critiques dans une publication de la revue Science . Puis, en janvier 2012, un groupe de chercheurs dirigé par Rosie Redfield à l' Université de la Colombie-Britannique a analysé l'ADN de GFAJ-1 à l'aide de la chromatographie liquide-spectrométrie de masse et n'a pu détecter aucun arsenic, ce que Redfield appelle une « réfutation claire » de l'article original. résultats. Une explication simple de la croissance de GFAJ-1 dans un milieu alimenté en arséniate au lieu de phosphate a été fournie par une équipe de chercheurs de l' Université de Miami en Floride. Après avoir marqué les ribosomes d'une souche de laboratoire d' Escherichia coli avec des isotopes radioactifs (formant un traceur radioactif ), ils ont suivi la croissance bactérienne dans un milieu contenant de l'arséniate mais pas de phosphate. Ils ont découvert que l'arséniate induit une dégradation massive des ribosomes, fournissant ainsi suffisamment de phosphate pour la croissance lente des bactéries tolérantes à l'arséniate. De même, suggèrent-ils, les cellules GFAJ-1 se développent en recyclant le phosphate des ribosomes dégradés, plutôt qu'en le remplaçant par de l'arséniate.

À la suite de la publication des articles contestant les conclusions de l' article original de Science décrivant d'abord GFAJ-1, le site Web Retraction Watch a fait valoir que l'article original devrait être rétracté en raison d'une fausse représentation des données critiques. En mai 2021, le journal n'avait pas été rétracté.

Voir également

Les références

Liens externes

• NASA – Présentation officielle du 02-12-2010 — Vidéo (56:53) et informations connexes. — (3 décembre 2010)
• NASA.gov : "Une recherche financée par la NASA découvre une vie construite avec des produits chimiques toxiques" — ( 2 décembre 2010 )
• NASA – Astrobiology Magazine : « À la recherche de la vie extraterrestre, sur Terre » . — (9 octobre 2009)
• Site Internet de Felisa Wolfe-Simon