T R E F F P U N K T FO R SC H U N G

276 © 2012 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim www.chiuz.de Chem. Unserer Zeit, 2012, 46, 274 – 278

PH OS PH O R U N A B D I N G BA R

Arsenat-Stoffwechsel widerlegtVor zwei Jahren erregten Forscher großes Aufsehen mit der Behauptung, ein auffallend arsenresistenter Bakterienstamm aus einem Salzsee in Kalifornien könne in seinem Stoff-wechsel und womöglich gar in seiner DNA Phosphat durch Arsenat ersetzen [1]. Zwei eingehendere Studien haben dies jetzt widerlegt.

konnten bestätigen, dass GFAJ-1 tat-sächlich außergewöhnlich resistentgegen Arsenat ist und sogar einen10.000-fachen Überschuss (Arsenatzu Phosphat) toleriert [3]. Vorher be-kannte arsenresistente Bakterienar-ten vertragen höchstens einen hun-dertfachen Überschuss, während eineVariante des Schimmelpilzes Asper-gillus bis zu tausendfachen Arsen-überschuss überlebt.

Dennoch konnten sie keinen Hin-weis darauf finden, dass die BakterienArsenverbindungen tatsächlich ver-wenden. Offenbar können sie sehr

effizient die letzten Spuren von Phos-phat aus dem Medium zusammenkrat-zen und in ihren Zellen anreichern,was angesichts des bis zu 10.000-fa-chen Arsenatüberschusses eine be-merkenswerte Trennleistung ist.

Doch selbst mit modernsten mas-senspektrometrischen Methodenkonnten die Züricher Forscher keinArsen in den Stoffwechselproduktenund Nucleinsäuren der Mikroben fin-den. Die einzigen arsenhaltigen Bio-moleküle, die sie nachweisen konn-ten, Hexose-Arsenate, bildeten sichauch in Kontrollexperimenten ohnedie Bakterien, waren also vermutlichnicht biologischen Ursprungs.

In einer weiteren, gleichzeitig er-schienenen Publikation untersuchteRosemary Redfield von der Universi-ty of British Columbia in Vancouverzusammen mit Kollegen ausPrinceton die DNA von GFAJ-1-Bakte-rien, die in Anwesenheit von Arsenatim Überschuss gezüchtet wurden

[4]. Trotz Anwendung von höchstempfindlichen massenspektrometri-schen Methoden (Massenspektrome-trie mit induktiv gekoppeltem Plas-ma, ICP-MS) konnten die Forscherkein Arsen in der DNA nachweisen.

Da Wolfe-Simon et al. vermutethatten, dass die vermeintlich arsenat-haltige DNA der Bakterien möglicher-weise in der Zelle von Proteinenoder anderen Faktoren stabilisiertwerden könnte, untersuchten Red-field und Kollegen auch die Stabilitätder hochgradig gereinigten DNA undfanden stabile Fragmente von mehrals 30.000 Nucleotiden Länge, unab-hängig davon, ob die Zellen in Anwe-senheit von Arsenat gezüchtet wur-den oder nicht. Demnach kann dieDNA höchstens eine Arsenatgruppeje 30.000 Phosphatgruppen enthal-ten, was für das Überleben bei Phos-phatknappheit unerheblich wäre.

Darüber hinaus stellten Redfieldund Kollegen auch die ursprünglicheBeobachtung in Frage, dass Arsenatlö-sung das Wachstum der Bakterien beiPhosphatknappheit erleichtere. Siekonnten dieses Ergebnis nicht repro-duzieren, fanden aber, dass die Bakte-rien zusätzlich zu dem von Wolfe-Si-mon beschriebenen Medium Gluta-mat benötigten. Daraus leiten sie ab,dass die wundersame Wirkung derArsenatlösung womöglich auf eineVerunreinigung zurückzuführen war,deren physiologische Funktion derdes Glutamats in den neueren Expe-rimenten entsprach.

Insgesamt ergibt sich also, dassdie untersuchten Bakterien aufgrundihrer konkurrenzlosen Resistenz ge-gen Arsenat in hohem Überschuss ge-genüber Phosphat durchaus hochin-teressant sind und weiter untersuchtwerden sollten. Die Lehrbuchweis-heit, dass Phosphor für die Bioche-mie irdischer Lebewesen unabding-bar ist, widerlegen sie jedoch nicht.

Literatur[1] siehe M. Groß, Chem. Unserer Zeit 2011, 45,

8.[2] F. Wolfe-Simon et al., Science 2011, 332,

1163.[3] T. J. Erb et al., Science 2012, 337, 467. [4] M. L. Reaves et al., Science 2012, 337, 470.

Felisa Wolfe-Simon und Kollegen vomAstrobiology Institute der NASA hat-ten damals den BakterienstammGFAJ-1 aus dem arsenhaltigen SalzseeLake Mono isoliert und kultiviert. Dadas Bakterium der Gattung Halomo-nas offenbar eine bemerkenswerteResistenz gegenüber dem für diemeisten Lebewesen giftigen Arsenaufwies, gingen die NASA-Forscherder gewagten Vermutung nach, eskönne womöglich bei Phosphor-knappheit Arsenate in seinem Stoff-wechsel nutzen. Sie kultivierten dieBakterien bei immer niedrigerenPhosphatkonzentrationen und fan-den, dass diese den Phosphatentzugjenseits einer gewissen Schwelle nurdann tolerieren konnten, wenn siedem Medium eine Arsenatlösung hin-zufügten – was ihre Vermutung zubestätigen schien [2].

Andere Experten erhoben so-gleich Einwände, und zwar sowohlgegen die Methoden (die zugesetzteArsenatlösung kann Spuren vonPhosphat enthalten sowie weitereSubstanzen, die das Wachstum derBakterien unter schwierigen Bedin-gungen erleichtern), als auch funda-mental biochemische (Arsenat-Estersind so instabil, dass zum BeispielDNA mit Arsenatbrücken spontan hy-drolysieren würde).

Erst jetzt allerdings haben zweidetailliertere Studien gezeigt, dass diefraglichen Bakterien zwar wirklicherstaunlich resistent gegen Arsensind, das Element aber weder in ih-rem Stoffwechsel verwenden noch inihre Nucleinsäuren einbauen.

Außergewöhnlich resistent gegen ArsenatTobias Erb und Julia Vorholt und ihreKollegen an der ETH Zürich wieder-holten die Wachstumsanalysen und

ES BLEIBT DABEI: PHOSPHOR

IST FÜR DIE BIOCHEMIE

IRDISCHER LEBEWESEN

UNABDINGBAR

Michael Großwww.michael

gross.co.uk