Återskapar det förflutna: NASA-stödda forskare väcker till liv 3,2 miljarder år gammalt kväveenzym

Genom att återuppliva ett 3,2 miljarder år gammalt enzym och testa dess funktionalitet i moderna levande mikrober, har ett forskarlag överbryggat en flera miljarder år lång klyfta i vår förståelse av arkeikum. Detta experimentella genombrott, lett av forskare vid University of Wisconsin-Madison och stöttat av NASA:s astrobiologiprogram, erbjuder en sällsynt, funktionell inblick i de metaboliska processer som upprätthöll liv på en ung, syrefattig jord. Forskningen, som nyligen publicerades i Nature Communications, utnyttjar det banbrytande fältet syntetisk biologi för att rekonstruera forntida biokemi, vilket ger ett nytt ramverk för att identifiera tecken på liv på andra världar.

Den molekylära tidsmaskinen

Studien fokuserar på rekonstruktion av ursprungliga sekvenser (ancestral sequence reconstruction), en teknik som gör det möjligt för forskare att navigera baklänges i det evolutionära trädet. Genom att analysera de genetiska sekvenserna hos moderna organismer kan forskare statistiskt härleda DNA från deras sedan länge utdöda förfäder. I det här fallet fokuserade teamet på nitrogenas – ett enzym av yttersta vikt för biologins historia. Nitrogenas ansvarar för kvävefixering, den kemiska process som omvandlar atmosfäriskt kväve till biotillgängliga former som ammoniak, vilka är nödvändiga för att bygga proteiner och DNA. Utan detta enzym skulle biosfären som vi känner den troligen aldrig ha utvecklats.

Projektet leddes av professor Betul Kacar, en framstående figur inom det NASA-finansierade konsortiet MUSE (Metal Utilization and Selection across Eons), och representerar ett samarbete mellan molekylärbiologer, geologer och astrobiologer. Kacar beskriver nitrogenas som ett enzym som "hjälpte till att sätta tonen för livet på denna planet". Eftersom enzymer inte lämnar fysiska fossil, ger teamets förmåga att återskapa en fungerande version från 3,2 miljarder år sedan en "molekylär tidsmaskin" som kringgår det geologiska arkivets begränsningar. Denna syntetbiologiska metod förvandlar teoretiska evolutionsmodeller till påtagliga laboratorieexperiment.

Testar forntida liv i moderna värdar

Metodiken innebar mer än bara digital rekonstruktion. När den forntida nitrogenassekvensen väl hade härletts, syntetiserade forskarna DNA:t och satte in det i samtida mikrobiella värdar. Denna process, som ofta kallas "paleoexperimentell evolution", gör det möjligt för forskare att observera hur ett forntida protein interagerar med maskineriet i en modern cell. Doktoranden Holly Rucker, en av huvudförfattarna till studien, konstaterar att experimentet utformades för att se om dessa forntida ritningar fortfarande kunde driva livets väsentliga funktioner i en kontrollerad, modern miljö.

Anmärkningsvärt nog visade sig det återupplivade nitrogenaset vara funktionellt och lyckades fixera kväve inuti värdmikroberna. Denna framgång gjorde det möjligt för teamet att direkt mäta enzymets metaboliska effektivitet och kemiska produktion. En av de största utmaningarna inom detta fält är att upprätthålla biologisk funktion över miljarder år av divergent evolution; men det forntida enzymets förmåga att integreras i moderna metaboliska vägar tyder på att kärnmekanismen för kvävefixering har förblivit förvånansvärt robust trots de radikala förändringarna i jordens miljö under de senaste tre eonerna.

Avkodning av den tidiga jordens miljö

För att förstå betydelsen av ett 3,2 miljarder år gammalt enzym måste man betrakta förhållandena på jorden under arkeikum. Långt före den stora syrehändelsen (Great Oxidation Event) var atmosfären ett tjockt dis av koldioxid och metan, med nästan inget fritt syre. Livet dominerades av anaeroba mikrober som var tvungna att överleva i en miljö med hög strålning och lite näring. Genom att testa det återupplivade enzymet kunde UW-Madison-teamet validera geokemiska modeller som föreslår hur dessa tidiga organismer fick tillgång till kväve när planetens kemi var väsentligt annorlunda än idag.

Studien adresserade också ett långvarigt antagande inom geobiologi: att forntida enzymer producerade samma isotopsignaturer som sina moderna ättlingar. Geologer letar efter specifika förhållanden av kväveisotoper fångade i forntida stenar för att avgöra om biologisk aktivitet förekom för miljarder år sedan. Rucker och hennes kollegor jämförde de isotopiska "fingeravtryck" som genererats av det rekonstruerade forntida nitrogenaset med de från moderna versioner. Deras fynd bekräftade att signaturerna matchar, vilket ger experimentella bevis för att de isotopiska spår som hittats i 3,2 miljarder år gamla stenar faktiskt är korrekta reflektioner av forntida biologisk metabolism.

Bevarande mitt i förändring

Ett av de mest slående avslöjandena i studien är stabiliteten hos enzymets isotopsignatur. Under miljarder år har de DNA-sekvenser som kodar för nitrogenas genomgått betydande mutationer och strukturella förändringar. Ändå har den underliggande mekanismen som kontrollerar kväveisotopförhållandet bevarats. Detta tyder på att medan enzymets "förpackning" utvecklades för att passa föränderliga miljötryck, förfinaades den centrala kemiska reaktionen – själva hjärtat i enzymets funktion – tidigt i livets historia och har inte förändrats sedan dess.

Detta bevarande är en stor fördel för forskare som försöker kartlägga livets historia. Om den isotopiska signalen hade förändrats avsevärt över tid, skulle tolkningen av det geologiska arkivet vara en gissningslek. Istället bekräftar signalens stabilitet att vi kan använda moderna observationer för att tillförlitligt tolka det avlägsna förflutna. Rucker fokuserar nu på att undersöka varför just denna egenskap förblev så stabil medan andra aspekter av enzymets struktur tilläts förändras, en fråga som skulle kunna avslöja fundamentala sanningar om proteiners evolution och kemiska begränsningar för liv.

Sökandet efter utomjordiska biosignaturer

Implikationerna av denna forskning sträcker sig långt bortom jordens historia, in i det framväxande fältet astrobiologi. NASA investerar kraftigt i att definiera "biosignaturer" – mätbara indikatorer på att liv finns eller fanns på en himlakropp. Historiskt har sökandet fokuserat på syrecentrerade markörer, men som denna studie visar, blomstrade livet på jorden i miljarder år i frånvaro av syre. Genom att bekräfta att nitrogenashärledda isotoper är en robust och stabil biosignatur, har forskarna gett NASA ett mer tillförlitligt verktyg för att utvärdera utomjordiska prover.

När uppdrag som rovern Perseverance på Mars eller framtida sonder till Jupiters och Saturnus isiga månar samlar in data, kan forskare nu leta efter dessa specifika kväveisotopmönster med större tillförsikt. Om en rymdfarkost upptäcker en matchande kemisk signatur i jorden på en annan planet, skulle det tyda på en metabolisk process analog med den som upprätthöll det tidigaste livet på jorden. Detta flyttar sökandet efter utomjordiskt liv bort från "jordlikt" (i betydelsen den moderna jorden) och mot "livslikt" (vilket innebär de grundläggande kemiska processerna i vilket levande system som helst).

En mall för framtida utforskning

Framgången med nitrogenasstudien fungerar som ett konceptbevis för MUSE-konsortiet och det bredare vetenskapliga samfundet. Kacar och hennes team ser detta tillvägagångssätt som en mall för att återuppliva andra forntida enzymer kopplade till kritiska planetära processer, såsom kolfixering eller fotosyntes. Genom att återuppbygga dessa vägar kan forskare förfina sina modeller av den tidiga jorden och bredda utbudet av kemiska markörer de kan leta efter i exoplaneters atmosfärer.

I slutändan visar detta arbete att vår planets historia inte bara är skriven i sten, utan i den genetiska kod som har överlevt genom tiderna. Genom att kombinera verktygen från syntetisk biologi med frågorna från geobiologi, börjar forskare äntligen läsa de äldsta kapitlen i livets historia. När vi förbereder oss för att analysera prover från andra världar, förblir förståelsen av de primitiva metaboliska fundamenten på vår egen planet det mest avgörande steget för att känna igen liv på andra platser i kosmos.

Viktiga forskningshöjdpunkter:

• Tvärvetenskapligt ledarskap: Studien leddes av Betul Kacar och doktoranden Holly Rucker vid University of Wisconsin-Madison, som en del av det NASA-finansierade MUSE-konsortiet.
• Högeffektiva fynd: Forskningen, som publicerats i Nature Communications, ger experimentell validering för isotopiska biosignaturer som hittats i det geologiska arkivet.
• Biologisk stabilitet: Studien fann att nitrogenasets isotopsignaturer har förblivit konsekventa i över 3 miljarder år, trots betydande evolution av DNA-sekvensen.
• Astrobiologisk nytta: Resultaten ger ett starkare ramverk för att upptäcka metaboliska biosignaturer på Mars, isiga månar och exoplaneter.