Ученым удалось заглянуть в глубокое прошлое Земли и восстановить работу фермента, существовавшего миллиарды лет назад. Оказалось, что его основные химические свойства остались неизменными, несмотря на эволюцию жизни и условий на планете. Это открытие меняет подход к изучению ранней биосферы и поиску следов жизни за пределами Земли. Об этом сообщает журнал Nature Communications.
Фермент, существующий миллиарды лет
Исследования были сосредоточены на нитрогеназе — ферменте, без которого невозможна фиксация азота из воздуха. Этот процесс позволяет микроорганизмам превращать недоступный для большинства живых существ газ в аммиак, который служит основой для синтеза белков и ДНК. Ранее ученые доказали, что нитрогеназа существовала 3 миллиарда лет назад, что делает ее одной из старейших биохимических систем на Земле.
Азот — один из фундаментальных элементов жизни, но лишь ограниченное число микроорганизмов может использовать его непосредственно из атмосферы. Именно они поддерживают экосистемы, особенно в условиях нехватки доступных форм азота.
Когда нитрогеназа перестает работать, рост растений замедляется, пищевые цепи нарушаются, а общая продуктивность биосферы снижается. Поэтому понимание его древнего поведения является ключом к реконструкции истории жизни.
Как ученые воссоздали древнюю биохимию
Команду возглавил Бетул Качар из Университета Висконсина в Мэдисоне пошел необычным путем. Вместо поиска редких окаменелостей исследователи реконструировали древние гены нитрогеназы, используя методы синтетической биологии.
Реконструированные гены были внедрены в современную бактерию Azotobacter vinelandii — организм, способный фиксировать азот и толерантный к кислороду. Заменив собственные ферментные компоненты, бактерии начали пользоваться «инструкциями» из далекого прошлого.
Затем ученые измерили соотношение тяжелых и легких изотопов азота в клеточном материале. Оказалось, что изотопные следы древних и современных ферментов практически идентичны, хотя их разделяет более двух миллиардов лет эволюции. Подобные открытия усиливают аргумент о том, что стабильные химические маркеры могут иметь важное значение для понимания происхождения жизни и ранней эволюции биосферы.
Почему изотопная сигнатура так важна
Характерные соотношения изотопов азота уже давно обнаружены в горных породах возрастом около 3,2 миллиарда лет. Геологи используют их в качестве биосигнатуры — признака того, что в древние времена здесь действовали живые организмы.
Однако долгое время оставался открытым вопрос: можно ли доверять этим данным, если сами ферменты со временем изменились. Новая работа показывает, что ключевая химическая особенность нитрогеназы оставалась стабильной даже при изменении скорости реакции и структуры белка.
«Как астробиологи, мы полагаемся на понимание нашей планеты, чтобы понять жизнь во Вселенной», — говорит исследователь Бетюль Качар.
Это означает, что изотопы азота можно рассматривать как надежный маркер биологической активности в течение геологического времени, а не как переменный индикатор.
Последствия для геологии и астробиологии
Стабильность изотопного сигнала особенно важна для эпохи до Великого окисления, когда в атмосфере Земли почти не было кислорода. В то время именно азотфиксирующие микроорганизмы поддерживали функционирование экосистем.
Результаты исследования повышают точность интерпретации древних горных пород и помогают отделить реальные биологические сигналы от более поздних химических изменений. Кроме того, стабильные биосигнатуры представляют особый интерес для НАСА: марсоходам и посадочным модулям нужны химические сигнатуры, которые могут сохраняться миллиарды лет, чтобы оценить возможную жизнь на Марсе и других планетах.
Что осталось неизвестным
Авторы подчеркивают, что реконструированные ферменты представляют собой лишь одну эволюционную ветвь нитрогеназы. Лабораторные условия также не полностью воспроизводят температуру, давление и состав ранних океанов Земли.
Следующим шагом станет поиск ответа на вопрос, почему этот специфический изотопный контроль оказался «неприкосновенным», в то время как другие свойства фермента продолжали меняться. Это поможет избежать чрезмерной интерпретации отдельных сигналов и улучшить методы поиска жизни за пределами Земли.
Связав лабораторную биологию с данными древних горных пород, исследование показывает, что одна из самых важных реакций жизни сохранила неизменную химическую подпись. В будущем аналогичный подход можно будет применить к другим ферментам, что приблизит ученых к более точному пониманию того, где и как могла зародиться жизнь.