Ricostruire il passato: scienziati sostenuti dalla NASA resuscitano un enzima dell'azoto di 3,2 miliardi di anni

Risuscitando un enzima di 3,2 miliardi di anni fa e testandone la funzionalità all'interno di microbi viventi moderni, un team di ricercatori ha colmato un divario di miliardi di anni nella nostra comprensione dell'Eone Archeano. Questa pietra miliare sperimentale, guidata dagli scienziati dell'University of Wisconsin-Madison e sostenuta dal programma di astrobiologia della NASA, offre un raro sguardo funzionale sui processi metabolici che hanno sostenuto la vita su una Terra giovane e povera di ossigeno. La ricerca, recentemente pubblicata su Nature Communications, utilizza il campo all'avanguardia della biologia sintetica per ricostruire l'antica biochimica, fornendo un nuovo quadro di riferimento per identificare segni di vita su altri mondi.

La macchina del tempo molecolare

Lo studio si concentra sulla ricostruzione delle sequenze ancestrali, una tecnica che consente agli scienziati di navigare a ritroso nell'albero evolutivo. Analizzando le sequenze genetiche degli organismi moderni, i ricercatori possono dedurre statisticamente il DNA dei loro antenati estinti da tempo. In questo caso, il team si è concentrato sulla nitrogenasi, un enzima di fondamentale importanza per la storia della biologia. La nitrogenasi è responsabile della fissazione dell'azoto, il processo chimico che converte l'azoto atmosferico in forme biodisponibili come l'ammoniaca, essenziali per la costruzione di proteine e DNA. Senza questo enzima, la biosfera come la conosciamo probabilmente non si sarebbe mai sviluppata.

Guidato dalla professoressa Betul Kacar, figura di spicco del consorzio MUSE (Metal Utilization and Selection across Eons) finanziato dalla NASA, il progetto rappresenta una collaborazione tra biologi molecolari, geologi e astrobiologi. Kacar descrive la nitrogenasi come un enzima che "ha contribuito a dare l'impronta alla vita su questo pianeta". Poiché gli enzimi non lasciano fossili fisici, la capacità del team di ricostruire una versione funzionale di 3,2 miliardi di anni fa fornisce una "macchina del tempo molecolare" che supera i limiti della documentazione geologica. Questo approccio di biologia sintetica trasforma i modelli evolutivi teorici in esperimenti di laboratorio tangibili.

Testare l'antica vita in ospiti moderni

La metodologia ha comportato molto più della semplice ricostruzione digitale. Una volta dedotta l'antica sequenza della nitrogenasi, i ricercatori hanno sintetizzato il DNA e lo hanno inserito in ospiti microbici contemporanei. Questo processo, spesso definito "evoluzione paleo-sperimentale", consente agli scienziati di osservare come un'antica proteina interagisce con i macchinari di una cellula moderna. La ricercatrice dottoranda Holly Rucker, autrice chiave dello studio, osserva che l'esperimento è stato progettato per vedere se questi antichi progetti genetici potessero ancora guidare le funzioni essenziali della vita in un ambiente moderno controllato.

Sorprendentemente, la nitrogenasi risuscitata si è rivelata funzionale, riuscendo a fissare l'azoto all'interno dei microbi ospiti. Questo successo ha permesso al team di misurare direttamente l'efficienza metabolica e i risultati chimici dell'enzima. Una delle sfide principali in questo campo è il mantenimento della funzione biologica attraverso miliardi di anni di evoluzione divergente; tuttavia, la capacità dell'antico enzima di integrarsi nei moderni percorsi metabolici suggerisce che il meccanismo centrale della fissazione dell'azoto è rimasto sorprendentemente robusto nonostante i radicali cambiamenti nell'ambiente terrestre nel corso degli ultimi tre eoni.

Decodificare l'ambiente della Terra primitiva

Per comprendere il significato di un enzima di 3,2 miliardi di anni fa, occorre considerare le condizioni della Terra durante l'Archeano. Molto prima del Grande Evento di Ossidazione, l'atmosfera era una densa caligine di anidride carbonica e metano, con quasi totale assenza di ossigeno libero. La vita era dominata da microbi anaerobici che dovevano sopravvivere in un ambiente ad alta radiazione e a basso contenuto di nutrienti. Testando l'enzima risuscitato, il team della UW-Madison ha potuto convalidare i modelli geochimici che suggeriscono come questi primi organismi accedessero all'azoto quando la chimica del pianeta era profondamente diversa da quella odierna.

Lo studio ha anche affrontato un presupposto di lunga data nella geobiologia: che gli antichi enzimi producessero le stesse firme isotopiche dei loro discendenti moderni. I geologi cercano specifici rapporti di isotopi di azoto intrappolati nelle rocce antiche per determinare se l'attività biologica fosse presente miliardi di anni fa. Rucker e i suoi colleghi hanno confrontato le "impronte" isotopiche generate dall'antica nitrogenasi ricostruita con quelle delle versioni moderne. I loro risultati hanno confermato che le firme corrispondono, fornendo prove sperimentali del fatto che i record isotopici trovati nelle rocce di 3,2 miliardi di anni sono effettivamente riflessi accurati dell'antico metabolismo biologico.

Conservazione tra i cambiamenti

Una delle rivelazioni più sorprendenti dello studio è la stabilità della firma isotopica dell'enzima. Nel corso di miliardi di anni, le sequenze di DNA che codificano per la nitrogenasi hanno subito mutazioni e cambiamenti strutturali significativi. Eppure, il meccanismo sottostante che controlla il rapporto degli isotopi di azoto è rimasto conservato. Ciò suggerisce che, mentre l'"involucro" dell'enzima si è evoluto per adattarsi alle mutevoli pressioni ambientali, la reazione chimica di base — il cuore stesso della funzione dell'enzima — è stata perfezionata all'inizio della storia della vita e da allora non è più cambiata.

Questa conservazione è un vantaggio per gli scienziati che tentano di mappare la storia della vita. Se il segnale isotopico fosse cambiato in modo significativo nel tempo, interpretare la documentazione rocciosa sarebbe una questione di supposizioni. Invece, la stabilità di questo segnale conferma che possiamo usare le osservazioni moderne per interpretare in modo affidabile il lontano passato. Rucker si sta ora concentrando sull'indagine del motivo per cui questa specifica caratteristica sia rimasta così stabile mentre altri aspetti della struttura dell'enzima sono mutati, una domanda che potrebbe rivelare verità fondamentali sull'evoluzione delle proteine e sui vincoli chimici della vita.

La ricerca di biofirme aliene

Le implicazioni di questa ricerca vanno ben oltre la storia della Terra, raggiungendo il fiorente campo dell'astrobiologia. La NASA è fortemente impegnata nel definire le "biofirme" — indicatori misurabili del fatto che la vita sia o sia stata presente su un corpo planetario. Storicamente, la ricerca si è concentrata su marcatori basati sull'ossigeno, ma come mostra questo studio, la vita sulla Terra è fiorita per miliardi di anni in assenza di ossigeno. Confermando che gli isotopi derivati dalla nitrogenasi sono una biofirma robusta e stabile, i ricercatori hanno fornito alla NASA uno strumento più affidabile per valutare i campioni extraterrestri.

Mentre missioni come il rover Perseverance su Marte o future sonde verso le lune ghiacciate di Giove e Saturno raccolgono dati, gli scienziati possono ora cercare questi specifici modelli di isotopi di azoto con maggiore sicurezza. Se un veicolo spaziale rilevasse una firma chimica corrispondente nel suolo di un altro pianeta, ciò suggerirebbe un processo metabolico analogo a quello che ha sostenuto la vita più antica sulla Terra. Ciò sposta la ricerca della vita aliena dal concetto di "simile alla Terra" (intendendo la Terra moderna) verso quello di "simile alla vita" (intendendo i processi chimici fondamentali di qualsiasi sistema vivente).

Un modello per l'esplorazione futura

Il successo dello studio sulla nitrogenasi funge da prova di fattibilità per il consorzio MUSE e per la comunità scientifica in generale. Kacar e il suo team immaginano questo approccio come un modello per risuscitare altri antichi enzimi legati a processi planetari critici, come la fissazione del carbonio o la fotosintesi. Ricostruendo questi percorsi, i ricercatori possono perfezionare i loro modelli della Terra primitiva e ampliare la gamma di marcatori chimici che possono cercare nelle atmosfere degli esopianeti.

In definitiva, questo lavoro dimostra che la storia del nostro pianeta è scritta non solo nella pietra, ma nel codice genetico che è sopravvissuto attraverso i secoli. Combinando gli strumenti della biologia sintetica con i quesiti della geobiologia, gli scienziati stanno finalmente iniziando a leggere i capitoli più antichi della storia della vita. Mentre ci prepariamo ad analizzare campioni provenienti da altri mondi, la comprensione delle primitive fondamenta metaboliche del nostro pianeta rimane il passo più vitale per riconoscere la vita altrove nel cosmo.

Punti salienti della ricerca:

• Leadership interdisciplinare: Lo studio è stato guidato da Betul Kacar e dalla ricercatrice dottoranda Holly Rucker presso l'University of Wisconsin-Madison, nell'ambito del consorzio MUSE finanziato dalla NASA.
• Risultati ad alto impatto: Pubblicata su Nature Communications, la ricerca fornisce una convalida sperimentale per le biofirme isotopiche trovate nella documentazione rocciosa.
• Stabilità biologica: Lo studio ha rilevato che le firme isotopiche della nitrogenasi sono rimaste costanti per oltre 3 miliardi di anni, nonostante la significativa evoluzione della sequenza del DNA.
• Utilità astrobiologica: I risultati forniscono un quadro più solido per il rilevamento di biofirme metaboliche su Marte, lune ghiacciate ed esopianeti.