GFAJ-1

La souche GFAJ-1 a été isolée sur les rives du lac Mono, un lac hypersalin, hyperalcalin (pH 10) et possédant une concentration moyenne en arsenic de 200 μmol l⁻¹. La capacité à utiliser l'arsenic à la place du phosphore a été mesurée en incubant des sédiments du lac Mono dans un milieu de culture minimum défini. Celui-ci ne contenait pas de phosphore ni de supplément nutritif comme l'extrait de levure (un supplément habituellement utilisé pour les cultures de micro-organismes). Par la suite, le milieu de culture a été enrichi en arsenic sous la forme d'ion arséniate, d'une concentration initiale de 100 μmol l⁻¹ à une concentration finale de 500 µmol l⁻¹. Sept dilutions décimales en série[note 1] ont été effectuées sur une période de trois mois, résultant en une dilution finale de l'inoculum originel d'un facteur 10⁷ [7]. Les dilutions successives permettent de diminuer au maximum la présence de phosphore, la concentration résiduelle en phosphore a été mesurée à 3,1 μmol l⁻¹ (contamination du milieu initial, des sels constituant le milieu et de la décomposition des organismes déjà présent dans le milieu de départ).

Le sixième transfert, sur les sept dilutions, manifestait un taux de croissance de 0,1 DO par jour (unité de densité optique mesurée au spectrophotomètre à une longueur d'onde de 680 nm). Cette culture fut utilisée pour inoculer un milieu solide (même milieu plus de l'agar). Deux types morphologiques de colonies furent observés, prélevés sur ce milieu solide ils furent mis en culture liquide sans phosphore. La culture manifestant la croissance la plus rapide fut retenue pour le reste des expériences : à ce stade les chercheurs avaient obtenu une culture pure d'une souche encore non identifiée. Cette souche pouvait être maintenue en culture dans un milieu dépourvu de phosphore, mais contenant 40 mmol l⁻¹ d'arséniate et 10 mmol l⁻¹ de glucose.

La souche bactérienne GFAJ-1 a été identifiée par séquençage du gène codant l'ARN ribosomique 16S. L'analyse phylogénétique de cette séquence indique que cette bactérie appartient à la famille des Halomonadaceae, et probablement au genre Halomonas.

Cellules de bactérie GFAJ-1 sur un milieu contenant du phosphore.

Lorsqu'elle est cultivée dans un milieu contenant de l'arséniate mais fortement carencé en phosphate (As+/P-), GFAJ-1 croit à une vitesse 40 % inférieure comparativement à un milieu contenant du phosphate et pas d'arsenic (As-/P+). Cependant, dans le milieu As+/P- les bactéries ont un volume une fois et demie plus grand que dans le milieu As-/P+. Cette augmentation de volume semble être associée à l'apparition de grandes vacuoles riches en poly-β-hydroxybutyrate.

La teneur en phosphore de ces bactéries était de 0,019 % (± 0,001) de leur poids sec, soit le trentième de celle trouvée lorsqu'elles sont cultivées sur un milieu ayant une concentration en phosphate de 1,5 mmol L⁻¹ et environ le centième de la teneur habituelle de la plupart des bactéries. Cette teneur en phosphore représente environ le dixième de la teneur en arsenic de ces bacilles (0,19 ± 0,25 % en poids sec).

Pour analyser finement le devenir de l'arsenic dans la bactérie cultivée sur milieu dépourvu de phosphore, les chercheurs utilisèrent de l'arséniate radioactif. Ils observèrent qu'en phase de croissance stationnaire, 10 % de l'arséniate absorbé était incorporé dans les acides nucléiques, plus de 75 % se retrouvait dans la fraction protéique et une faible part dans les lipides[9]. Les auteurs notent tout de même que la fraction protéique obtenue par extraction au phénol comporte de nombreux composés non protéiques, et que les 75 % observés sont probablement une surestimation.

Au moment de la publication de l'article dans Science en décembre 2010, des interrogations subsistent. Il reste à déterminer si l'arsenic est effectivement incorporé dans le squelette de l'ADN, ou si l'arsenic est utilisé par la bactérie en remplacement du phosphore pour d'autres métabolismes, et si les traces infimes de phosphore toujours présent dans les milieux de culture suffisent pour fournir la quantité nécessaire à la synthèse de l'ADN[10]. Les critiques aux conclusions de l'article sur GFAJ-1 sont de trois ordres[11] :

• Dans le milieu de culture utilisé, il reste des traces de phosphore, environ 1/10000 de l'arsenic présent. Dans ces conditions, GFAJ-1 contient certes de l'arsenic (dont il n'est pas établi qu'il soit incorporé dans des molécules biologiquement actives) mais seulement trois fois plus que de phosphore. La bactérie semble donc faire tout son possible pour récupérer le peu de phosphore présent plutôt que d'utiliser l'arsenic.
• Le cytoplasme des cellules est un milieu réducteur dans lequel on s'attend à ce que les ions arseniate soient réduits en arsénite[12].

Dans les mêmes conditions physiologiques, le phosphate n'est par contre pas réduit en phosphite. L'ADN "arsénié" ne pourrait pas exister, faute d'arseniate intracellulaire pour se substituer au rôle biologique joué par le phosphate.

• Les liaisons chimiques impliquant des atomes liés à l'arsenic (en particulier les esters d'arseniate, qui seraient nécessaires à la formation d'un ADN basé sur l'arsenic) ne durent généralement pas plus de quelques minutes en milieux aqueux, à l'inverse des molécules basées sur le phosphore qui sont beaucoup plus stables[10] - [13].

La présence d'arsenic incorporé dans le squelette de l'ADN peut être démontrée par une analyse par spectrométrie de masse de l'ADN purifié. Pour Purificación López-García, microbiologiste spécialiste des extrêmophiles au CNRS, le fait que « cette expérience ne figure pas dans le compte rendu de leurs recherches est suspect »[14].

• « commentaire de la biologiste Purification Lopez-Garcia au sujet de cette découverte »