Het verleden reconstrueren: Door NASA gesteunde wetenschappers wekken stikstofenzym van 3,2 miljard jaar oud tot leven

Door een 3,2 miljard jaar oud enzym te reanimeren en de functionaliteit ervan te testen in moderne levende microben, heeft een team onderzoekers een kloof van miljarden jaren in ons begrip van het Archeïcum overbrugd. Deze experimentele mijlpaal, geleid door wetenschappers van de University of Wisconsin-Madison en ondersteund door het astrobiologieprogramma van NASA, biedt een zeldzame, functionele blik op de metabolische processen die het leven op een jonge, zuurstofarme aarde in stand hielden. Het onderzoek, onlangs gepubliceerd in Nature Communications, maakt gebruik van het baanbrekende vakgebied van de synthetische biologie om oude biochemie te reconstrueren en biedt een nieuw kader voor het identificeren van tekenen van leven op andere werelden.

De moleculaire tijdmachine

De studie richt zich op 'ancestral sequence reconstruction', een techniek die wetenschappers in staat stelt de evolutionaire boom in omgekeerde richting te doorlopen. Door de genetische sequenties van moderne organismen te analyseren, kunnen onderzoekers statistisch gezien het DNA van hun lang uitgestorven voorouders afleiden. In dit geval concentreerde het team zich op nitrogenase — een enzym van cruciaal belang voor de geschiedenis van de biologie. Nitrogenase is verantwoordelijk voor stikstoffixatie, het chemische proces dat atmosferische stikstof omzet in biologisch beschikbare vormen zoals ammoniak, die essentieel zijn voor de opbouw van eiwitten en DNA. Zonder dit enzym zou de biosfeer zoals wij die kennen zich waarschijnlijk nooit hebben ontwikkeld.

Geleid door professor Betul Kacar, een vooraanstaand figuur in het door NASA gefinancierde MUSE (Metal Utilization and Selection across Eons) consortium, vertegenwoordigt het project een samenwerking tussen moleculair biologen, geologen en astrobiologen. Kacar beschrijft nitrogenase als een enzym dat "hielp de toon te zetten voor het leven op deze planeet." Omdat enzymen geen fysieke fossielen achterlaten, biedt het vermogen van het team om een functionele versie van 3,2 miljard jaar geleden te herbouwen een "moleculaire tijdmachine" die de beperkingen van het geologische archief omzeilt. Deze benadering van de synthetische biologie transformeert theoretische evolutionaire modellen in tastbare laboratoriumexperimenten.

Oud leven testen in moderne gastheren

De methodologie omvatte meer dan alleen digitale reconstructie. Zodra de oude nitrogenase-sequentie was afgeleid, synthetiseerden de onderzoekers het DNA en brachten het in hedendaagse microbiële gastheren in. Dit proces, vaak aangeduid als "paleo-experimentele evolutie", stelt wetenschappers in staat om te observeren hoe een oud eiwit reageert op het mechanisme van een moderne cel. Promovendus Holly Rucker, een hoofdauteur van de studie, merkt op dat het experiment was ontworpen om te zien of deze oude blauwdrukken nog steeds de essentiële levensfuncties konden aansturen in een gecontroleerde, moderne omgeving.

Opmerkelijk genoeg bleek de herrezen nitrogenase functioneel te zijn en slaagde het erin om stikstof te fixeren binnen de gastheermicroben. Dit succes stelde het team in staat om de metabolische efficiëntie en chemische output van het enzym direct te meten. Een van de grootste uitdagingen in dit vakgebied is het behouden van biologische functies over miljarden jaren van uiteenlopende evolutie; het vermogen van het oude enzym om te integreren in moderne metabolische paden suggereert echter dat het kernmechanisme van stikstoffixatie verrassend robuust is gebleven, ondanks de radicale veranderingen in de omgeving van de aarde gedurende de laatste drie eonen.

De vroege aarde-omgeving ontcijferen

Om de betekenis van een 3,2 miljard jaar oud enzym te begrijpen, moet men kijken naar de omstandigheden op de aarde tijdens het Archeïcum. Lang voor de Grote Oxidatie-gebeurtenis was de atmosfeer een dikke nevel van koolstofdioxide en methaan, met bijna geen vrije zuurstof. Het leven werd gedomineerd door anaerobe microben die moesten overleven in een omgeving met veel straling en weinig voedingsstoffen. Door het herrezen enzym te testen, kon het team van de UW-Madison geochemische modellen valideren die suggereren hoe deze vroege organismen toegang kregen tot stikstof toen de chemie van de planeet enorm verschilde van die van vandaag.

De studie behandelde ook een lang gekoesterde aanname in de geobiologie: dat oude enzymen dezelfde isotopensignaturen produceerden als hun moderne nakomelingen. Geologen zoeken naar specifieke verhoudingen van stikstofisotopen die gevangen zitten in oude gesteenten om te bepalen of er miljarden jaren geleden biologische activiteit aanwezig was. Rucker en haar collega's vergeleken de isotopische "vingerafdrukken" gegenereerd door de gereconstrueerde oude nitrogenase met die van moderne versies. Hun bevindingen bevestigden dat de signaturen overeenkomen, wat experimenteel bewijs levert dat de isotopenverslagen in 3,2 miljard jaar oude gesteenten inderdaad nauwkeurige weerspiegelingen zijn van oud biologisch metabolisme.

Conservering te midden van verandering

Een van de meest opvallende onthullingen van de studie is de stabiliteit van de isotopensignatuur van het enzym. Gedurende miljarden jaren hebben de DNA-sequenties die coderen voor nitrogenase aanzienlijke mutaties en structurele veranderingen ondergaan. Toch is het onderliggende mechanisme dat de stikstofisotopenverhouding controleert, behouden gebleven. Dit suggereert dat hoewel de "verpakking" van het enzym evolueerde om zich aan te passen aan veranderende omgevingsdruk, de kern van de chemische reactie — het hart van de functie van het enzym — al vroeg in de geschiedenis van het leven werd geperfectioneerd en sindsdien niet is veranderd.

Deze conservering is een uitkomst voor wetenschappers die de geschiedenis van het leven in kaart proberen te brengen. Als het isotopensignaal in de loop van de tijd aanzienlijk was veranderd, zou het interpreteren van het gesteentearchief een kwestie van giswerk zijn. In plaats daarvan bevestigt de stabiliteit van dit signaal dat we moderne waarnemingen kunnen gebruiken om het verre verleden betrouwbaar te interpreteren. Rucker richt zich nu op het onderzoek naar waarom dit specifieke kenmerk zo stabiel bleef terwijl andere aspecten van de structuur van het enzym mochten veranderen, een vraag die fundamentele waarheden over eiwitevolutie en chemische beperkingen op het leven zou kunnen onthullen.

De zoektocht naar buitenaardse biosignaturen

De implicaties van dit onderzoek reiken veel verder dan de geschiedenis van de aarde en raken aan het groeiende vakgebied van de astrobiologie. NASA investeert zwaar in het definiëren van "biosignaturen" — meetbare indicatoren dat er leven op een hemellichaam aanwezig is of was. Historisch gezien heeft de zoektocht zich gericht op markers die gecentreerd zijn rond zuurstof, maar zoals deze studie aantoont, bloeide het leven op aarde miljarden jaren lang in afwezigheid van zuurstof. Door te bevestigen dat van nitrogenase afgeleide isotopen een robuuste en stabiele biosignatuur zijn, hebben de onderzoekers NASA een betrouwbaarder hulpmiddel gegeven voor het evalueren van buitenaardse monsters.

Nu missies zoals de Perseverance-rover op Mars of toekomstige sondes naar de ijzige manen van Jupiter en Saturnus gegevens verzamelen, kunnen wetenschappers met meer vertrouwen zoeken naar deze specifieke stikstofisotopenpatronen. Als een ruimtevaartuig een overeenkomstige chemische signatuur in de bodem van een andere planeet detecteert, zou dit duiden op een metabolisch proces dat analoog is aan het proces dat het vroegste leven op aarde in stand hield. Dit verschuift de zoektocht naar buitenaards leven van "aardachtig" (waarmee de moderne aarde wordt bedoeld) naar "levensachtig" (waarmee de fundamentele chemische processen van elk levend systeem worden bedoeld).

Een blauwdruk voor toekomstige verkenning

Het succes van de nitrogenase-studie dient als een 'proof-of-concept' voor het MUSE-consortium en de bredere wetenschappelijke gemeenschap. Kacar en haar team zien deze benadering als een blauwdruk voor het reanimeren van andere oude enzymen die verbonden zijn met kritieke planetaire processen, zoals koolstoffixatie of fotosynthese. Door deze paden te herbouwen, kunnen onderzoekers hun modellen van de vroege aarde verfijnen en het scala aan chemische markers vergroten waarnaar ze kunnen zoeken in de atmosferen van exoplaneten.

Uiteindelijk toont dit werk aan dat de geschiedenis van onze planeet niet alleen in steen geschreven staat, maar ook in de genetische code die door de eeuwen heen bewaard is gebleven. Door de instrumenten van de synthetische biologie te combineren met de vraagstukken van de geobiologie, beginnen wetenschappers eindelijk de oudste hoofdstukken van het verhaal van het leven te lezen. Terwijl we ons voorbereiden om monsters van andere werelden te analyseren, blijft het begrijpen van de primitieve metabolische fundamenten van onze eigen planeet de meest vitale stap in het herkennen van leven elders in de kosmos.

Belangrijkste hoogtepunten van het onderzoek:

• Interdisciplinair leiderschap: De studie werd geleid door Betul Kacar en promovendus Holly Rucker aan de University of Wisconsin-Madison, als onderdeel van het door NASA gefinancierde MUSE-consortium.
• Impactvolle bevindingen: Het onderzoek, gepubliceerd in Nature Communications, biedt experimentele validatie voor isotopische biosignaturen die in het gesteentearchief worden gevonden.
• Biologische stabiliteit: De studie wees uit dat de isotopensignaturen van nitrogenase al meer dan 3 miljard jaar consistent zijn gebleven, ondanks aanzienlijke evolutie van de DNA-sequenties.
• Astrobiologisch nut: De resultaten bieden een sterker kader voor het detecteren van metabolische biosignaturen op Mars, ijzige manen en exoplaneten.