Oživljen enzim iz drevne prošlosti Zemlje

Znanstvenici koje podržava NASA oživjeli su enzim koji su organizmi na Zemlji prvi put koristili prije 3,2 milijarde godina i pritom potvrdili kemijski biopotpis u stijenama koji se koristi za razumijevanje drevnog života na Zemlji.

Istraživanje pruža novo razumijevanje kakva je bila Zemljina biosfera u ranoj povijesti našeg planeta i potvrđuje pouzdan biopotpis koji bi robotski ili ljudski istraživači mogli koristiti za traženje znakova drevnog života na drugim svjetovima.

Studija , objavljena u časopisu Nature Communications, usredotočuje se na vrstu metabolizma koja se naziva fiksacija dušika ili diazotrofija. Ovaj proces pretvara biološki neupotrebljiv dušik u Zemljinoj atmosferi u molekule koje svi živi organizmi koriste za preživljavanje. 

Na Zemlji postoji odabrana skupina organizama koji se nazivaju diazotrofi koji mogu obavljati fiksaciju dušika. Ova skupina je šarolika skupina bakterija (i nekoliko arheja i eukariota) koje se nalaze razasute po različitim granama stabla života.

Neki diazotrofi su slobodnoživući organizmi koji fiksiraju dušik dok obavljaju svoje dane. Drugi su simbiotski i preživljavaju u partnerstvu s drugim organizmima, živeći na mjestima poput korijenja biljaka, lišajeva, gljiva, pa čak i crijeva termita i brodskih crva. 

Ono što povezuje ovu raznoliku skupinu organizama jest to što svi sadrže enzim koji se zove nitrogenaza. Ovaj enzim im daje moć pretvaranja plinovitog dušika iz atmosfere u spojeve koji su bitni za izgradnju nekih od najvažnijih molekula života, poput proteina i DNK. Točnije, oni pretvaraju dijatomski dušik (N2) u biološki korisne oblike dušika poput amonijaka (NH3), čime omogućuju dušiku ulazak u hranidbeni lanac. 

Na taj način, svaki organizam u cijeloj Zemljinoj biosferi oslanja se na diazotrofe kako bi osigurali dušik koji nam je svima potreban za preživljavanje.

Budući da je fiksacija dušika ključna za život kakav poznajemo, znanstvenici vjeruju da se nitrogenaza morala razviti rano u povijesti života, u vrijeme kada su postojali samo jednostanični mikroorganizmi.

„Rani život na Zemlji funkcionirao je u uvjetima toliko različitim od današnjih da je možda djelovao gotovo izvanzemaljski“, rekla je Betül Kaçar, voditeljica Kaçar laboratorija na Sveučilištu Wisconsin-Madison. Uz podršku NASA-e, Kaçar i njezin tim rade na razumijevanju povijesti života na planetarnoj razini i potencijala za život u svemiru obnavljanjem izumrlih biokemija koje su koristili drevni organizmi. „Proučavanje ovih sustava pomaže nam da shvatimo ne samo gdje život može postojati, već i što život može biti.“

Detalji o ranom životu na Zemlji su nejasni jer fosili koje mikroorganizmi ostavljaju u stijenama mogu biti dvosmisleni. Međutim, kada se dušik iz atmosfere fiksira, on se neznatno mijenja na način koji znanstvenici mogu prepoznati. Izotopski potpis atoma dušika unutar diazotrofa se mijenja.

Tijekom vremena, kako mikroorganizmi umiru, ovaj promijenjeni dušik se ugrađuje u stijene. Sedimenti se talože, zakopavaju, komprimiraju, troše i miješaju kroz Zemljine vijekove. Pa ipak, čak i nakon milijardi godina, znanstvenici još uvijek mogu identificirati biopotpis N-izotopa koji su ostavili drevni diazotrofi u geološkom zapisu.

U prošlosti su se postavljala pitanja o točnosti korištenja N-izotopa kao biopotpisa. Poput samog života, enzimi evoluiraju tijekom vremena. Kako se uvjeti okoliša na Zemlji mijenjaju, enzimi se mijenjaju na molekularnoj razini kao odgovor. Izvorna nitrogenaza vjerojatno je bila manja i manje komplicirana od verzije koju danas vidimo u organizmima. To znači da bi se N-izotopski potpisi koje su ostavili drevni enzimi nitrogenaze mogli razlikovati od onih koje vidimo danas.

Kako bi riješili pitanje mogu li se N-izotopi doista koristiti kao robusni biopotpis, tim je koristio tehnike sintetičke biologije kako bi oživio moguće drevne verzije enzima. Obrnutim inženjeringom su stvorili modernu nitrogenazu, uklanjajući slojeve evolucije kako bi otkrili jednostavnije verzije enzima koje su možda postojale davno.

Ponašanje starijih verzija enzima zatim je promatrano kada su umetnute u žive mikrobe. Ono što su otkrili jest da su N-izotopski potpisi ostali isti milijardama godina. Rezultati dokazuju da izotopski potpisi fiksacije dušika u najstarijim stijenama Zemlje doista odražavaju aktivnost ranog života.

„Kad se vratite u prošlost, DNK sekvence ovih drevnih nitrogenaza vrlo su različite od modernih nitrogenaza“, rekla je Holly Rucker, doktorandica u Kaçar laboratoriju i glavna autorica rada. „Također vidimo da se struktura enzima mijenja s godinama. Ipak, otkrivamo da unatoč tim razlikama u sekvencama i strukturi, ovi drevni enzimi i dalje provode istu kemiju kao i njihovi moderni potomci.“

Zbirka sintetskih gena koju je stvorio tim također predstavlja različite verzije nitrogenaze koje su postojale tijekom dvije milijarde godina evolucijske povijesti. To je pomoglo u popunjavanju praznina u znanju o tome kako se nitrogenaza mijenjala tijekom vremena i kakvi su bili drevni fiksatori dušika.

Budući da je fiksacija dušika toliko važan dio biologije na Zemlji, istraživanje bi također moglo pružiti tragove u potrazi za životom izvan našeg planeta.

Sada kada su znanstvenici potvrdili upotrebu N-izotopa kao biopotpisa drevnog života na Zemlji, ista tehnika bi se potencijalno mogla koristiti na drugim stjenovitim svjetovima.

„Potvrđeni biosignali poput izotopa dušika daju nam moćan alat za istraživanje planeta i pristup izgubljenim biološkim povijestima“, navode znanstvenici. „Ako se slični signali pronađu na Marsu ili drugim stjenovitim svjetovima, mogli bi ukazivati ​​na drevne metabolizme koji su nekoć podržavali život u vrlo različitim uvjetima. Proučavanje ovih sustava pomaže nam da shvatimo ne samo gdje život može postojati, već i što život može biti.“