Reconstruyendo el pasado: científicos apoyados por la NASA resucitan una enzima de nitrógeno de 3.200 millones de años

Al resucitar una enzima de 3.200 millones de años y probar su funcionalidad dentro de microbios vivos modernos, un equipo de investigadores ha salvado una brecha de miles de millones de años en nuestra comprensión del Eón Arcaico. Este hito experimental, liderado por científicos de la University of Wisconsin-Madison y respaldado por el programa de astrobiología de la NASA, ofrece una visión funcional poco común de los procesos metabólicos que sustentaron la vida en una Tierra joven y pobre en oxígeno. La investigación, publicada recientemente en Nature Communications, utiliza el campo de vanguardia de la biología sintética para reconstruir la bioquímica antigua, proporcionando un nuevo marco para identificar signos de vida en otros mundos.

La máquina del tiempo molecular

El estudio se centra en la reconstrucción de secuencias ancestrales, una técnica que permite a los científicos navegar por el árbol evolutivo en sentido inverso. Al analizar las secuencias genéticas de organismos modernos, los investigadores pueden inferir estadísticamente el ADN de sus ancestros extinguidos hace mucho tiempo. En este caso, el equipo se centró en la nitrogenasa, una enzima de suma importancia para la historia de la biología. La nitrogenasa es responsable de la fijación de nitrógeno, el proceso químico que convierte el nitrógeno atmosférico en formas biodisponibles como el amoníaco, que son esenciales para la construcción de proteínas y ADN. Sin esta enzima, es probable que la biosfera tal como la conocemos nunca se hubiera desarrollado.

Dirigido por la profesora Betul Kacar, una figura prominente del consorcio MUSE (Metal Utilization and Selection across Eons) financiado por la NASA, el proyecto representa una colaboración entre biólogos moleculares, geólogos y astrobiólogos. Kacar describe la nitrogenasa como una enzima que "ayudó a establecer el tono de la vida en este planeta". Debido a que las enzimas no dejan fósiles físicos, la capacidad del equipo para reconstruir una versión funcional de hace 3.200 millones de años proporciona una "máquina del tiempo molecular" que sortea las limitaciones del registro geológico. Este enfoque de biología sintética transforma los modelos evolutivos teóricos en experimentos de laboratorio tangibles.

Probando la vida antigua en huéspedes modernos

La metodología implicó algo más que la reconstrucción digital. Una vez inferida la secuencia de la nitrogenasa antigua, los investigadores sintetizaron el ADN y lo insertaron en huéspedes microbianos contemporáneos. Este proceso, a menudo denominado "evolución paleoexperimental", permite a los científicos observar cómo interactúa una proteína antigua con la maquinaria de una célula moderna. La investigadora doctoral Holly Rucker, autora clave del estudio, señala que el experimento fue diseñado para ver si estos planos antiguos aún podrían dirigir las funciones esenciales de la vida en un entorno moderno y controlado.

Sorprendentemente, la nitrogenasa resucitada demostró ser funcional, fijando con éxito el nitrógeno dentro de los microbios huéspedes. Este éxito permitió al equipo medir directamente la eficiencia metabólica y los productos químicos de la enzima. Uno de los principales desafíos en este campo es mantener la función biológica a través de miles de millones de años de evolución divergente; sin embargo, la capacidad de la enzima antigua para integrarse en las vías metabólicas modernas sugiere que el mecanismo central de la fijación de nitrógeno se ha mantenido sorprendentemente robusto a pesar de los cambios radicales en el entorno de la Tierra durante los últimos tres eones.

Descifrando el entorno de la Tierra primitiva

Para comprender la importancia de una enzima de 3.200 millones de años, hay que considerar las condiciones de la Tierra en el Arcaico. Mucho antes del Gran Evento de Oxidación, la atmósfera era una densa neblina de dióxido de carbono y metano, casi sin oxígeno libre. La vida estaba dominada por microbios anaerobios que tenían que sobrevivir en un entorno de alta radiación y bajos nutrientes. Al probar la enzima resucitada, el equipo de la UW-Madison pudo validar los modelos geoquímicos que sugieren cómo estos organismos primitivos accedían al nitrógeno cuando la química del planeta era enormemente diferente a la actual.

El estudio también abordó una suposición de larga data en geobiología: que las enzimas antiguas producían las mismas firmas isotópicas que sus descendientes modernos. Los geólogos buscan proporciones específicas de isótopos de nitrógeno atrapados en rocas antiguas para determinar si hubo actividad biológica hace miles de millones de años. Rucker y sus colegas compararon las "huellas dactilares" isotópicas generadas por la nitrogenasa antigua reconstruida con las de las versiones modernas. Sus hallazgos confirmaron que las firmas coinciden, proporcionando evidencia experimental de que los registros isotópicos hallados en rocas de 3.200 millones de años son, de hecho, reflejos precisos del antiguo metabolismo biológico.

Conservación en medio del cambio

Una de las revelaciones más sorprendentes del estudio es la estabilidad de la firma isotópica de la enzima. A lo largo de miles de millones de años, las secuencias de ADN que codifican la nitrogenasa han experimentado mutaciones significativas y cambios estructurales. Sin embargo, el mecanismo subyacente que controla la proporción de isótopos de nitrógeno se ha mantenido conservado. Esto sugiere que, si bien el "empaquetado" de la enzima evolucionó para adaptarse a las presiones ambientales cambiantes, la reacción química central —el corazón mismo de la función de la enzima— se perfeccionó temprano en la historia de la vida y no ha variado desde entonces.

Esta conservación es una bendición para los científicos que intentan mapear la historia de la vida. Si la señal isotópica hubiera cambiado significativamente con el tiempo, interpretar el registro rocoso sería una cuestión de conjeturas. En cambio, la estabilidad de esta señal confirma que podemos utilizar las observaciones modernas para interpretar de manera fiable el pasado lejano. Rucker se centra ahora en investigar por qué esta característica específica permaneció tan estable mientras que otros aspectos de la estructura de la enzima variaron, una pregunta que podría revelar verdades fundamentales sobre la evolución de las proteínas y las limitaciones químicas de la vida.

La búsqueda de biofirmas extraterrestres

Las implicaciones de esta investigación se extienden mucho más allá de la historia de la Tierra, alcanzando el floreciente campo de la astrobiología. La NASA está muy interesada en definir las "biofirmas": indicadores medibles de que la vida está o estuvo presente en un cuerpo planetario. Históricamente, la búsqueda se ha centrado en marcadores centrados en el oxígeno, pero como muestra este estudio, la vida en la Tierra floreció durante miles de millones de años en ausencia de oxígeno. Al confirmar que los isótopos derivados de la nitrogenasa son una biofirma robusta y estable, los investigadores han proporcionado a la NASA una herramienta más fiable para evaluar muestras extraterrestres.

A medida que misiones como el rover Perseverance en Marte o futuras sondas a las lunas heladas de Júpiter y Saturno recopilen datos, los científicos podrán buscar estos patrones específicos de isótopos de nitrógeno con mayor confianza. Si una nave espacial detecta una firma química coincidente en el suelo de otro planeta, sugeriría un proceso metabólico análogo al que sustentó la vida más temprana en la Tierra. Esto aleja la búsqueda de vida alienígena de lo "similar a la Tierra" (refiriéndose a la Tierra moderna) y la acerca a lo "similar a la vida" (refiriéndose a los procesos químicos fundamentales de cualquier sistema vivo).

Un modelo para la exploración futura

El éxito del estudio de la nitrogenasa sirve como prueba de concepto para el consorcio MUSE y la comunidad científica en general. Kacar y su equipo vislumbran este enfoque como un modelo para resucitar otras enzimas antiguas vinculadas a procesos planetarios críticos, como la fijación de carbono o la fotosíntesis. Al reconstruir estas vías, los investigadores pueden refinar sus modelos de la Tierra primitiva y ampliar la gama de marcadores químicos que pueden buscar en las atmósferas de los exoplanetas.

En última instancia, este trabajo demuestra que la historia de nuestro planeta está escrita no solo en piedra, sino en el código genético que ha sobrevivido a través de los tiempos. Al combinar las herramientas de la biología sintética con las preguntas de la geobiología, los científicos están comenzando finalmente a leer los capítulos más antiguos de la historia de la vida. Mientras nos preparamos para analizar muestras de otros mundos, comprender los fundamentos metabólicos primitivos de nuestro propio planeta sigue siendo el paso más vital para reconocer la vida en otros lugares del cosmos.

Aspectos destacados de la investigación:

• Liderazgo interdisciplinario: El estudio fue dirigido por Betul Kacar y la investigadora doctoral Holly Rucker en la University of Wisconsin-Madison, como parte del consorcio MUSE financiado por la NASA.
• Hallazgos de alto impacto: Publicada en Nature Communications, la investigación proporciona validación experimental para las biofirmas isotópicas encontradas en el registro rocoso.
• Estabilidad biológica: El estudio encontró que las firmas isotópicas de la nitrogenasa se han mantenido constantes durante más de 3.000 millones de años, a pesar de una evolución significativa de la secuencia de ADN.
• Utilidad astrobiológica: Los resultados proporcionan un marco más sólido para detectar biofirmas metabólicas en Marte, lunas heladas y exoplanetas.