domingo, 19 de dezembro de 2010

Arsênio na bactéria dos outros é refresco

Arsênio na bactéria dos outros é refresco

Por Sergio Ulhoa Dani (*)

Pesquisadores da NASA descobriram no lago Mono da Califórnia uma bactéria que troca fósforo por arsênio nas suas moléculas, inclusive no DNA [1]. A descoberta é intrigante porque o arsênio é um elemento extremamente tóxico. Entretanto, o achado não autoriza a conclusão em favor da essencialidade do arsênio para nós e os nossos semelhantes.


Que certas formas de vida são viáveis em um ambiente com alta concentração de arsênio constitui verdade indisputável. A teoria que postula que o organismo pioneiro surgiu em um mundo rico em arsênio data dos anos 1990. O cientista alemão Günther Wächtershäuser propôs que minerais sulfetados como a arsenopirita (a forma mais comum do arsênio, um mineral formado pela combinação de arsênio, ferro e enxofre) foram o berço da vida primitiva no planeta Terra [2-4]. Esses minerais agem como catalisadores geológicos naturais no processo de fixação do carbono em moléculas orgânicas, o que constitui o aspecto mais fundamental da química da vida.


Também é indisputável que a Terra na época do surgimento do organismo
primitivo – mais de 4 bilhões de anos atrás (Baa) – era um ambiente
venenoso, com uma atmosfera que seria sufocante, um caldo que seria
indigesto, uma temperatura que seria insuportável para a maioria dos
seres vivos que conhecemos hoje, incluindo a nossa espécie. O aspecto
da Terra há mais de 4 bilhões de anos era semelhante ao de um inferno:
uma paisagem extraterrestre com milhares de erupções vulcânicas
cospindo arsênio, enxofre e outros venenos, dia e noite.

Provas de que os organismos pioneiros podem surgir mesmo em um inferno
desses podem ser encontradas ainda hoje em alguns lugares que
reproduzem as condições prevalentes da Terra cerca de 4 Baa: fontes
geotermais, vulcões, minas de ouro e o Lago Mono na Califórnia. Esses
lugares servem de habitat para micróbios que são capazes de prosperar
no meio do veneno, em temperaturas que cozinhariam nossos corpos, em
águas tão ácidas ou básicas que dissolveriam nossas peles, em
atmosferas tão venenosas que nos sufocariam. Os cientistas chamam
esses organismos de 'hipertolerantes’, ou 'extremófilos', ie, coisas
vivas adaptadas às condições ambientais extremas.

Entretanto, tais ambientes são obviamente inóspitos para as formas
mais complexas de vida, aqueles organismos que evoluíram processos
catalíticos complexos e finamente regulados que incluem centenas a
milhares de enzimas, organelas, células, tecidos e órgãos. O arsênio
interfere nesses processos catalíticos [5-8], portanto o arsênio deve
ser detoxificado via uma variedade de mecanismos. Os efeitos tóxicos
do arsênio têm um significado evolutivo, uma vez que todos os
organismos vivos – desde os quimioautotróficos que crescem reduzindo
ou oxidando arsênio [9-13] até os metazoa ou animais superiores –
carregam genes de resistência ao arsênio altamente conservados
[5,6,14,15], mas a susceptibilidade ao arsênio varia entre as espécies
de muitas ordens de magnitude [5,6,16] e mesmo os organismos
hipertolerantes cessarão de crescer e eventualmente morrerão quando
expostos aos limites espécie-específicos de tolerância ao arsênio
[17-19].

Daí se conclui que a troca de fósforo por arsênio é acidental, em vez
de facultativa, e a questão sobre se o arsênio é um elemento não
essencial ou tóxico é uma questão quantitativa, não uma questão
qualitativa. Há muito tempo sabe-se que o arsênio pode ser ingerido ou
assimilado inadvertidamente através das vias metabólicas dos
nutrientes essenciais ou benéficos como o fósforo [20]. O átomo de
arsênio é cerca de duas vezes mais pesado que o átomo do fósforo, mas
ambos compartilham algumas propriedades físico-químicas. Como um
análogo do fosfato, o arsenato compete com o fosfato e entra nas
células dos vegetais via transportadores de fosfato e também interfere
com o metabolismo do fósforo, podendo inclusive substituir o fósforo
em moléculas biológicas, como a molécula do DNA.

A descoberta de organismos que se viram com arsênio em excesso no
ambiente, inadvertidamente trocando o fósforo escasso pelo arsênio
abundante não constitui prova que o arsênio é um elemento essencial,
em vez de um veneno. Arsênio é mortal para os seres vivos, inclusive
os seres humanos. Basta um grama de trióxido de arsênio para matar
sete seres humanos adultos em poucas horas ou dias. Quantidades muito
menores, da ordem dos milionésimos do grama, se ingeridos ou inalados
durante meses ou anos, são suficientes para causar cada uma das
doenças que mais matam no mundo, incluindo doenças cerebrovasculares,
câncer, diabetes, demência e outras.

A vida complexa é exigente. No lago tétrico onde o arsênio compete com
o fósforo para tomar parte da vida de uma bactéria, a vida não está
para peixe. Tem arsênio demais. Mas arsênio na bactéria dos outros é
refresco.

(*) Sergio Dani é médico e geneticista do Instituto Medawar de
Pesquisa Médica e Ambiental, Paracatu-MG, Brasil, atualmente com o
Hospital das Clínicas de Kassel, Alemanha. srgdani@gmail.com

Referências:

[1] Wolfe-Simon F, Blum JS, Kulp TR, Gordon GW, Hoeft SE, Pett-Ridge
J, Stolz JF, Webb SM, Weber PK, Davies PC, Anbar AD, Oremland RS. A
bacterium that can grow by using arsenic instead of phosphorus.
Science. 2010 Dec 2. [Epub ahead of print]

[2] Wächtershäuser G. Groundworks for an evolutionary biochemistry:
the iron-sulphur world. Prog Biophys Mol Biol. 1992;58(2):85-201.

[3] Blöchl E, Keller M, Wachtershäuser G, Stetter KO. Reactions
depending on iron sulfide and linking geochemistry with biochemistry.
Proc Natl Acad Sci U S A. 1992 Sep 1;89(17):8117-20.

[4] Wächtershäuser G. Life in a ligand sphere. Proc Natl Acad Sci U S
A. 1994 May 10;91(10):4283-7.

[5] Tamaki S, Frankenberger Jr WT. Environmental biochemistry of
arsenic. Rev Environ Cont Toxicol 1992;124:79–110.

[6] Rosen BP. Biochemistry of arsenic detoxification. FEBS Lett 2002;529:86–92.

[7] Bernstam L, Nriagu J. Molecular aspects of arsenic stress. J Toxicol Environ
Health B Crit Rev 2000;3:293–322.

[8] Valko M, Rhodes CJ, Moncol J, Izakovic M, Mazur M. Free radicals, metals and
antioxidants in oxidative stress-induced cancer. Chemico-Biol Interact
2006;160:1–40.

[9] Ilyaletdinov AN, Abdrashitova SA. Autotrophic oxidation of arsenic
by a culture of Pseudomonas arsenitoxidans. Mikrobiologiya
1981;50:197–204.

[10] Ahmann D, Roberts AL, Krumholz LR, Morel FMM. Microbe grows by
reducing arsenic. Nature 1994;371:750.

[11] Lebrun E, Brugna M, Baymann F, Muller D, Lievremon D, Lett MC, et
al. Arsenite oxidase, an ancient bioenergetic enzyme. Mol Biol Evol
2003;20:686–93.

[12] Jackson CR, Dugas SL. Phylogenetic analysis of bacterial and
archaeal arsC gene sequences suggests an ancient, common origin for
arsenate reductase. BMC Evol Biol 2003;3:18.

[13] Muller D, Medigue C, Koechler S, et al. A tale of two oxidation
states: bacterial colonization of arsenic-rich environments. PLoS
Genet 2007;3:e53.

[14] Schmuck EM, Board PG, Whitbread AK, Tetlow N, Cavanaugh JA,
Blackburn AC, et al. Characterization of the monomethylarsonate
reductase and dehydroascorbate reductase activities of Omega class
glutathione transferase variants: implications for arsenic metabolism
and the age-at-onset of Alzheimer’s and Parkinson’s diseases.
Pharmacogenet Genom 2005;15:493–501.

[15] Coppin JF, Qu W, Waalkes MP. Interplay between cellular methyl
metabolism and adaptive efflux during oncogenic transformation from
chronic arsenic exposure in human cells. J Biol Chem
2008;283:19342–50.

[16] Baker-Austin C, Dopson M, Wexler M, Sawers RG, Stemmler A, Rosen
BP, et al. Extreme arsenic resistance by the acidophilic archaeon
‘Ferroplasma acidarmanus’ Fer1. Extremophiles 2007;11:425–34.

[17] Miot J, Morin G, Skouri-Panet F, et al. XAS study of arsenic
coordination in Euglena gracilis exposed to arsenite. Environ Sci
Technol 2008;42:5342–7.

[18] Lou LQ, Ye ZH, Wong MH. A comparison of arsenic tolerance, uptake
and accumulation between arsenic hyperaccumulator, Pteris vittata L.
and nonaccumulator, P. semipinnata L. – a hydroponic study. J Hazard
Mater 2009. June 12 [Epub ahead of print].

[19] Canovas D, Duran C, Rodriguez N, Amils R, de Lorenzo V. Testing
the limits of biological tolerance to arsenic in a fungus isolated
from the River Tinto. Environ Microbiol 2003;5:133–8.

[20]. Zhao FJ, McGrath SP, Meharg AA. Arsenic as a food chain
contaminant: mechanisms of plant uptake and metabolism and mitigation
strategies. Annu Rev Plant Biol. 2010 Jun 2;61:535-59.


--
Sergio U. Dani
Germany
Tel. 00(XX)49 15-226-453-423
srgdani@gmail.com