GFAJ-1

GFAJ-1は、ハロモナス科の桿菌の一種です。極限環境細菌で、米国地質調査所のNASA研究員である地質生物学者フェリサ・ウルフ＝サイモン氏によって、東カリフォルニアの高塩分・アルカリ性のモノ湖から分離されました。2010 年のScience^{誌に掲載された論文[1]}で、著者らは、この微生物はリンが不足すると、リンのわずかな割合をヒ素で置き換えて成長を維持できると主張しました。[ 2 ^{] [3]}論文の発表直後、他の微生物学者や生化学者がこの主張に疑問を呈し、科学界で激しく批判されました。2012 年に発表されたその後の独立した研究では、GFAJ-1 の DNA でヒ酸が検出されず、この主張は否定され、GFAJ-1 は単にヒ酸耐性でリン酸依存性の生物であることが実証されました。^{[4] [5] [6] [7]}

GFAJ-1細菌は、カリフォルニア州メンロパークの米国地質調査所に滞在中のNASA宇宙生物学研究員である地質微生物学者フェリサ・ウルフ＝サイモンによって発見された。[8] GFAJは「フェリサに仕事を」の略である。[9] この生物は、彼女と彼女の同僚が米国カリフォルニア州モノ湖の底の堆積物から収集 した^サンプルから²⁰⁰⁹年から分離され、培養された。 ^[10]モノ湖は塩分濃度が高く（約90グラム/リットル）、アルカリ性が高い（pH 9.8）。^[11]また、この湖は世界で最も高い天然ヒ素濃度（ 200μM ）を持つ湖の1つである。^[1]この発見は2010年12月2日に広く公表された。^[2]

16S rRNA配列に基づく分子解析により、GFAJ-1は、 Halomonadaceae科の他の中程度の好塩性（「塩を好む」）細菌と密接に関連していることが示されています。著者らは、この株がH. アルカリフィラやH. ベヌスタなどのHalomonas属のメンバーの中に入れ子になっている系統樹を作成しましたが、^[12]明示的にこの属に割り当てていませんでした。^{[1] [10]}多くの細菌は、高濃度のヒ素に耐えることができ、それを細胞に取り込む傾向があることが知られています。^{[1] [13]}しかし、GFAJ-1はさらに一歩進んでいると議論を呼んで提案されました。リンが不足すると、代わりにヒ素を代謝物や高分子に取り入れて成長を続けると提案されました。^[10]

細菌GFAJ-1のゲノム配列は現在GenBankに掲載されている。^[14]

Science誌の記事では、GFAJ-1 は新種ではなく、Halomonadaceae の株と呼ばれています。^[1]細菌の分類を規定する規則集である国際細菌命名規約と、International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology の特定の記事には、新種を記述するためのガイドラインと最低基準、たとえば Halomonadaceae のメンバーを記述するための最低基準が含まれています。 [ ^{15]生物は、他の}既知の種との16S rRNA配列の同一性が一般に 97% 未満であること^[16]や、代謝の違いによって区別できることなど、特定の生理学的および遺伝学的条件を満たす場合に、新種として記述されます。新種を他の種と区別する指標に加えて、脂肪酸組成、使用される呼吸キノンと耐性範囲、および少なくとも 2 つの微生物学リポジトリへの株の保管など、他の分析が必要です。新しく提案された名前は、 sp. novの後にイタリック体で示されます。 （その系統群の記載によれば新属である場合はgen. nov.とも表記する）。^{[17] [18]}

GFAJ-1株の場合、これらの基準は満たされておらず、この株は新種であるとは主張されていない。^[1]株が種に割り当てられていない場合（たとえば、データ不足や選択不足のため）、属名の後に「sp.」（つまり、その属の未確定種）と株名が続くというラベルが付けられることが多い。GFAJ-1の場合、著者らは株の指定のみで株を参照することを選択した。GFAJ-1に近縁の株にはHalomonas sp. GTWとHalomonas sp. G27があるが、どちらも有効な種として記載されていない。^{[19] [20]}著者らが正式にGFAJ-1株をHalomonas属に割り当てていた場合、^[10]名前はHalomonas sp. GFAJ-1となる。

リリースR220まで、ゲノム分類データベースはGFAJ-1に独自の暫定種であるHalomonas sp002966495を割り当てていました。これは、この株が系統学的にはHalomonasに分類され、その属の他の定義された種と比較した全ゲノム類似性が十分に低いことを意味します。GTW株もG27株も、データベースが分類を実行するために利用できるゲノムを持っていません。リリースR220では、データベースは株を2023年に発表され2024年に検証された新しい属であるVreelandellaに移動しました。^[21]

リンを含まない増殖培地（試薬中の不純物から、実際には 3.1 ± 0.3 μM の残留リン酸を含有）を使用して、ヒ酸塩への曝露を増加させる方法で細菌を培養しました。初期レベル 0.1 mM から最終的に 40 mM まで増加しました。比較実験に使用した代替培地には、ヒ酸塩を含まない高レベルのリン酸（1.5 mM）が含まれるか、リン酸もヒ酸塩も添加されていませんでした。GFAJ-1 は、リン酸培地またはヒ酸塩培地で培養した場合、細胞数が何度も倍増して増殖できましたが、リン酸もヒ酸塩も添加されていない同様の組成の培地では増殖できないことが観察されました。^[1]ヒ素を与えられたリン欠乏細菌のリン含有量（ICP-MSで測定）は乾燥重量でわずか0.019（± 0.001）％で、リン酸を多く含む培地で培養した場合の30分の1でした。このリン含有量は、細胞の平均ヒ素含有量（乾燥重量で0.19 ± 0.25％）の約10分の1でもありました。^[1] ICP-MSで測定された細胞のヒ素含有量は大きく異なり、実験によってはリン含有量よりも低い場合もあれば、最大で14倍高い場合もあります。^[22]同じ研究でナノSIMSで得られた他のデータによると、ヒ酸塩を添加して培養した細胞であっても、P:CおよびAs:C比で表すと、リン酸（P）がヒ素（As）の約75倍過剰であることが示唆されています。^[12]ヒ酸溶液で培養した場合、GFAJ-1はリン酸溶液で培養した場合の60%の速さしか成長しませんでした。^{[2]リン酸欠乏細菌の細胞内容積は通常の1.5倍であり、その大きな容積は大きな「}液胞のような領域」の出現と関連しているようでした。^[1]

研究者のジョセフ・トールは、同位体標識したヒ酸を溶液に加えて分布を追跡したところ、細菌のタンパク質、脂質、 ATPなどの代謝産物、およびDNAとRNAを含む細胞画分にヒ素が存在することを発見しました。^[2]リンが欠乏した定常期細胞からの核酸は、5回の抽出（フェノールで1回、フェノールクロロホルムで3回、クロロホルム抽出溶媒で1回）を経て濃縮され、続いてエタノール沈殿が行われました。 ヒ素が生体分子に組み込まれた直接的な証拠はまだありませんが、放射能測定から、これらの細菌によって吸収されたヒ素の約10分の1（11.0 ± 0.1%）が、核酸（ DNAとRNA）と、以前の処理では抽出されなかった他のすべての共沈化合物を含む画分になったことが示唆されました。^[1]同位体標識リン酸を使用した同様の対照実験は行われませんでした。 2011年半ばにこの菌株が配布されると、他の研究室も独自にこの発見の妥当性を検証し始めた。ブリティッシュコロンビア大学のローズマリー・レッドフィールドは、生育条件の問題に続いてGFAJ-1の生育要件を調査し、この菌株は液体培養よりも固体寒天培地でよく生育することを発見した。レッドフィールドはこれをカリウム濃度の低さに起因するものとし、基本ML60培地のカリウム濃度は生育を支えるには低すぎるのではないかと仮説を立てた。^[23]レッドフィールドはさらなる問題（イオン強度、pH、ポリプロピレンの代わりにガラス管の使用）を発見して対処した後、ヒ素が生育をわずかに刺激するものの、主張されていたのとは異なり培養物の最終密度には影響しないことを発見した。^[24]同じグループによる質量分析法を使用したその後の研究では、ヒ素がGFAJ-1のDNAに組み込まれた証拠は見つからなかった。^[25]

DNA 中に存在するようなヒ酸エステルは、一般に、対応するリン酸エステルよりも加水分解に対して桁違いに不安定であると予想されている。^[26] DNA 構成要素dAMPの構造的ヒ素類似体である dAMA は、中性 pH の水中で半減期が 40 分である。 ^[27]ヌクレオチドを結合するアルセノジエステル結合の水中での半減期の推定値は、 DNA 中のリン酸ジエステル結合の 3000 万年と比較して 0.06 秒と短い。^{[28]著者らは、細菌が}ポリ-β-ヒドロキシ酪酸（ハロモナス属の関連種の「液^{胞のような領域」で増加していることがわかっている[29]} ）または他の手段を使用して水の有効濃度を下げることにより、ヒ酸エステルをある程度安定化する可能性があると推測している。^{[1] [10]}ポリヒドロキシ酪酸は、炭素以外の要素によって成長が制限される条件下で、多くの細菌によってエネルギーと炭素の貯蔵に使用され、通常、GFAJ-1細胞に見られる「液胞のような領域」によく似た大きなワックス状の顆粒として現れます。^[30]著者らは、不溶性ポリヒドロキシ酪酸がヒ酸エステルを安定化させるのに十分な細胞質内の水の有効濃度を下げるメカニズムを提示していません。すべての好塩菌は乾燥を避けるために何らかの方法で細胞質の水分活性を低下させる必要がありますが、 ^[31]細胞質は常に水性環境のままです。

NASAが「地球外生命体の証拠の探索に影響を与える」記者会見を発表したことは、センセーショナルで誤解を招くと批判された。ニューサイエンティスト誌の論説では、「もし地球外生命体の発見が実際に起こったら、想像できる最大のニュースの一つとなるだろうが、これはそれからは程遠い」とコメントした。^{[32] [33]}

さらに、この論文を評価した多くの専門家は、報告された研究は著者らの主張を裏付ける十分な証拠を提供していないと結論付けている。^[34] Slateのオンライン記事で、科学ライターのカール・ジマーは、数人の科学者の懐疑論について論じた。「私は12人の専門家に連絡を取った...ほぼ全員一致で、NASAの科学者は自分たちの主張を証明できなかったと考えている」。^{[35] [36]}化学者のスティーブン・A・ベナーは、この生物のDNAでリン酸がヒ酸に置き換わったことに疑問を呈している。彼は、ウルフ・サイモンが実験室培養に使用した増殖培地の微量汚染物質は、細胞のDNAに必要なリンを供給するのに十分であると示唆した。彼は、ヒ素は細胞内の他の場所に隔離されている可能性が高いと考えている。^{[2] [10]} ブリティッシュコロンビア大学の 微生物学者ローズマリー・レッドフィールドは、この論文は「ヒ素がDNAや他の生物学的分子に組み込まれたという説得力のある証拠を提示していない」と述べ、実験では結論を適切に検証するために必要な洗浄手順と管理が欠けていたと示唆している。^{[37] [38]}ハーバード大学の微生物学者アレックス・ブラッドリーは、ヒ素を含むDNAは水中で非常に不安定であるため、分析手順を生き延びることはできなかっただろうと述べた。^{[35] [39]}

2010年12月8日、サイエンス誌はウルフ＝サイモン氏による回答を掲載し、その中で同氏は研究に対する批判が予想されると述べた。これを受けて、研究の理解を深めるための「よくある質問」ページが2010年12月16日に掲載された。^[40]研究チームは、GFAJ-1株をATCCおよびDSMZの培養コレクションに寄託し、広く配布することを計画している。^[41] 2011年5月下旬、同株は著者らの研究室から直接要請があれば入手可能となった。^[42] サイエンス誌は記事を自由に利用できるようにした。^[43]記事は受理から6か月後の2011年6月3日号のサイエンス誌に印刷物として掲載された。掲載時には、記事の実験手順と結論に関するさまざまな懸念に対処する8つの技術的コメントが添付され、^{[44] [ 45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52]}、またこれらの懸念に対する著者らの回答も添付された。^{[42] [53]}編集長ブルース・アルバーツは、いくつかの問題が残っており、その解決には長いプロセスが必要になる可能性が高いと指摘している。^{[54] 2011年3月発行の}BioEssays誌に掲載されたローゼンらによるレビュー^[55]では、サイエンス誌の論文の技術的な問題について議論し、別の説明を提供し、他のヒ素耐性微生物やヒ素利用微生物の既知の生化学に焦点を当てている。

2011年5月27日、ウルフ＝サイモンと彼女のチームは、サイエンス誌の続編で批判に応えた。^{[42]その後、2012年1月、}ブリティッシュコロンビア大学のロージー・レッドフィールド率いる研究グループが液体クロマトグラフィー質量分析法を使用してGFAJ-1のDNAを分析したが、ヒ素は検出されなかった。レッドフィールドはこれを「元の論文の発見に対する明確な反論」と呼んでいる。^[56]分析結果の発表後、ウルフ＝サイモンは彼女と彼女の同僚が「今後数か月以内に新しい情報を発表する予定である」と述べたが、^[57] 2024年現在、2011年以来新しい論文は提出されていない。

フロリダ州マイアミ大学の研究チームは、リン酸の代わりにヒ酸を供給された培地でGFAJ-1が増殖することについて、簡単な説明を提供した。大腸菌の実験室株のリボソームを放射性同位元素で標識した後（放射性トレーサーを形成）、ヒ酸を含むがリン酸を含まない培地で細菌の増殖を追跡した。その結果、ヒ酸はリボソームの大規模な分解を誘発し、ヒ酸耐性細菌のゆっくりとした増殖に十分なリン酸を供給することがわかった。同様に、彼らは、GFAJ-1細胞は、リン酸をヒ酸で置き換えるのではなく、分解されたリボソームからリン酸をリサイクルすることによって増殖すると示唆している。^[58]

GFAJ-1を初めて説明したサイエンス誌の原著論文の結論に異議を唱える論文が発表された後、ウェブサイトRetraction Watchは、重要なデータが誤って表現されているため原著論文を撤回すべきだと主張した。^{[59] [60]} 2024年1月現在^{[アップデート]}、論文は撤回されていない。^[1]

ウィキメディア・コモンズには、 GFAJ-1に関連するメディアがあります。

• NASA – 2010 年 12 月 2 日の公式プレゼンテーション — ビデオ (56:53) および関連情報。 — (2010 年 12 月 3 日)
• NASA.gov: 「NASA​​ の資金提供による研究で、毒性化学物質で作られた生命が発見される」 2011 年 8 月 28 日にWayback Machineにアーカイブ— ( 2010 年 12 月 2 日)
• NASA – 宇宙生物学誌: 「地球上の異星生命体の探究」 — (2009 年 10 月 9 日)
• フェリサ・ウルフ・サイモンのウェブサイト