Реконструкция прошлого: ученые при поддержке НАСА воссоздали азотный фермент возрастом 3,2 миллиарда лет

Воскресив фермент возрастом 3,2 миллиарда лет и протестировав его функциональность внутри современных живых микробов, группа исследователей преодолела многомиллиардный разрыв в нашем понимании Архейского эона. Этот экспериментальный прорыв, совершенный учеными из University of Wisconsin-Madison при поддержке программы по астробиологии NASA, дает редкую возможность функционально взглянуть на метаболические процессы, поддерживавшие жизнь на молодой, бедной кислородом Земле. Исследование, недавно опубликованное в Nature Communications, использует возможности передовой области синтетической биологии для реконструкции древней биохимии, создавая новую основу для поиска признаков жизни в других мирах.

Молекулярная машина времени

Исследование сосредоточено на реконструкции предковых последовательностей — методе, который позволяет ученым перемещаться по эволюционному древу в обратном направлении. Анализируя генетические последовательности современных организмов, исследователи могут статистически вычислить ДНК их давно вымерших предков. В данном случае команда сфокусировалась на нитрогеназе — ферменте, имеющем первостепенное значение для истории биологии. Нитрогеназа отвечает за фиксацию азота — химический процесс, который преобразует атмосферный азот в биодоступные формы, такие как аммиак, необходимые для построения белков и ДНК. Без этого фермента биосфера в том виде, в котором мы ее знаем, скорее всего, никогда бы не развилась.

Проект, возглавляемый профессором Betul Kacar, видной фигурой в финансируемом NASA консорциуме MUSE (Metal Utilization and Selection across Eons), представляет собой результат сотрудничества молекулярных биологов, геологов и астробиологов. Kacar описывает нитрогеназу как фермент, который «помог задать тон жизни на этой планете». Поскольку ферменты не оставляют физических окаменелостей, способность команды воссоздать функциональную версию возрастом 3,2 миллиарда лет служит «молекулярной машиной времени», позволяющей обойти ограничения геологической летописи. Этот подход синтетической биологии превращает теоретические эволюционные модели в осязаемые лабораторные эксперименты.

Тестирование древней жизни в современных носителях

Методология включала в себя нечто большее, чем просто цифровую реконструкцию. Как только последовательность древней нитрогеназы была вычислена, исследователи синтезировали ДНК и вставили ее в современные микробные клетки-хозяева. Этот процесс, часто называемый «палеоэкспериментальной эволюцией», позволяет ученым наблюдать, как древний белок взаимодействует с механизмами современной клетки. Докторант Holly Rucker, ключевой автор исследования, отмечает, что эксперимент был разработан для того, чтобы проверить, могут ли эти древние чертежи по-прежнему обеспечивать основные функции жизни в контролируемой современной среде.

Удивительно, но воскрешенная нитрогеназа оказалась функциональной, успешно фиксируя азот внутри микробов-хозяев. Этот успех позволил команде напрямую измерить метаболическую эффективность и химические продукты работы фермента. Одной из главных проблем в этой области является сохранение биологической функции на протяжении миллиардов лет дивергентной эволюции; однако способность древнего фермента интегрироваться в современные метаболические пути свидетельствует о том, что основной механизм фиксации азота оставался на удивление стабильным, несмотря на радикальные изменения в окружающей среде Земли за последние три эона.

Расшифровка среды ранней Земли

Чтобы понять значение фермента возрастом 3,2 миллиарда лет, необходимо учитывать условия Земли в архейский период. Задолго до Кислородной катастрофы атмосфера представляла собой густую дымку из углекислого газа и метана, в которой почти не было свободного кислорода. В жизни доминировали анаэробные микробы, которым приходилось выживать в условиях высокого уровня радиации и низкого содержания питательных веществ. Тестируя воскрешенный фермент, команда из UW-Madison смогла подтвердить геохимические модели, описывающие, как эти ранние организмы получали доступ к азоту, когда химический состав планеты кардинально отличался от современного.

Исследование также затронуло давнее предположение в геобиологии: что древние ферменты производили те же изотопные подписи, что и их современные потомки. Геологи ищут определенные соотношения изотопов азота, запертых в древних породах, чтобы определить, присутствовала ли биологическая активность миллиарды лет назад. Rucker и ее коллеги сравнили изотопные «отпечатки пальцев», созданные реконструированной древней нитрогеназой, с отпечатками современных версий. Их выводы подтвердили, что эти подписи совпадают, предоставляя экспериментальные доказательства того, что изотопные записи, найденные в породах возрастом 3,2 миллиарда лет, действительно являются точным отражением древнего биологического метаболизма.

Сохранение среди изменений

Одним из самых поразительных открытий исследования является стабильность изотопной подписи фермента. За миллиарды лет последовательности ДНК, кодирующие нитрогеназу, претерпели значительные мутации и структурные изменения. Тем не менее, фундаментальный механизм, контролирующий соотношение изотопов азота, сохранился. Это говорит о том, что в то время как «упаковка» фермента эволюционировала в соответствии с меняющимся давлением окружающей среды, основная химическая реакция — самое сердце функции фермента — была доведена до совершенства на ранних этапах истории жизни и с тех пор не менялась.

Такая консервативность — настоящий подарок для ученых, пытающихся составить карту истории жизни. Если бы изотопный сигнал значительно изменился с течением времени, интерпретация каменной летописи была бы делом догадок. Напротив, стабильность этого сигнала подтверждает, что мы можем использовать современные наблюдения для надежной интерпретации далекого прошлого. Сейчас Rucker сосредоточена на изучении того, почему именно эта особенность оставалась столь стабильной, в то время как другим аспектам структуры фермента было позволено меняться — этот вопрос может раскрыть фундаментальные истины об эволюции белков и химических ограничениях жизни.

Поиск внеземных биосигнатур

Последствия этого исследования выходят далеко за рамки истории Земли, затрагивая развивающуюся область астробиологии. NASA вкладывает значительные средства в определение «биосигнатур» — измеряемых показателей того, что жизнь присутствует или присутствовала на планетарном теле. Исторически поиск был сосредоточен на маркерах, ориентированных на кислород, но, как показывает это исследование, жизнь на Земле процветала в течение миллиардов лет в отсутствие кислорода. Подтвердив, что изотопы, производные от нитрогеназы, являются надежной и стабильной биосигнатурой, исследователи предоставили NASA более точный инструмент для оценки внеземных образцов.

Поскольку такие миссии, как марсоход Perseverance на Марсе или будущие зонды к ледяным лунам Юпитера и Сатурна, собирают данные, ученые теперь могут с большей уверенностью искать эти специфические паттерны изотопов азота. Если космический аппарат обнаружит соответствующую химическую подпись в почве другой планеты, это укажет на метаболический процесс, аналогичный тому, который поддерживал самую раннюю жизнь на Земле. Это переводит поиск внеземной жизни из категории «землеподобной» (в значении современной Земли) в категорию «жизнеподобной» (имея в виду фундаментальные химические процессы любой живой системы).

Шаблон для будущих исследований

Успех исследования нитрогеназы служит доказательством концепции для консорциума MUSE и всего научного сообщества. Kacar и ее команда видят в этом подходе шаблон для воскрешения других древних ферментов, связанных с критически важными планетарными процессами, такими как фиксация углерода или фотосинтез. Воссоздавая эти пути, исследователи могут уточнить свои модели ранней Земли и расширить спектр химических маркеров, которые они могут искать в атмосферах экзопланет.

В конечном счете, эта работа демонстрирует, что история нашей планеты записана не только в камне, но и в генетическом коде, сохранившемся сквозь века. Сочетая инструменты синтетической биологии с вопросами геобиологии, ученые наконец начинают читать древнейшие главы истории жизни. Пока мы готовимся к анализу образцов из других миров, понимание примитивных метаболических основ нашей собственной планеты остается самым важным шагом на пути к распознаванию жизни в других уголках космоса.

Ключевые моменты исследования:

• Междисциплинарное лидерство: Исследование проводилось под руководством Betul Kacar и докторанта Holly Rucker в University of Wisconsin-Madison в рамках финансируемого NASA консорциума MUSE.
• Высокозначимые результаты: Опубликованное в Nature Communications исследование дает экспериментальное подтверждение изотопным биосигнатурам, обнаруженным в геологической летописи.
• Биологическая стабильность: Исследование показало, что изотопные подписи нитрогеназы оставались неизменными более 3 миллиардов лет, несмотря на значительную эволюцию последовательности ДНК.
• Астробиологическая ценность: Результаты создают более прочную основу для обнаружения метаболических биосигнатур на Марсе, ледяных лунах и экзопланетах.