Учёные из Университета Висконсин–Мэдисон (США) сообщают о важном достижении в области исследований происхождения жизни: им удалось воссоздать древний фермент, существовавший на Земле примерно 3,2 миллиарда лет назад, и изучить его работу в живых микроорганизмах. Такая реконструкция помогает учёным точнее интерпретировать древние геохимические данные Земли и разрабатывать методы поиска биосигнатур на других планетах. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Что именно восстановили исследователи
Команда под руководством профессора Бетюль Качар (Betül Kaçar) применила подход синтетической биологии, чтобы реконструировать древнюю версию фермента нитрогеназы — ключевого фермента, ответственного за фиксацию атмосферного азота в биологически доступные формы. Этот фермент выполняет фундаментальную функцию: он превращает азот (N₂), который не усваивается большинством живых организмов, в соединения, доступные для построения белков и нуклеиновых кислот.
Поскольку в ископаемом материале невозможно обнаружить сам фермент, учёные реконструировали его последовательность, опираясь на изотопные следы деятельности фермента, сохранившиеся в древних горных породах. Затем древнюю нитрогеназу встроили в современные микроорганизмы и наблюдали её функционирование в лабораторных условиях.
Почему нитрогеназа важна для истории жизни
Азот является одним из основных строительных элементов живых организмов, входящим в состав аминокислот, белков, нуклеиновых кислот и других ключевых биомолекул. Хотя азот составляет ~78 % земной атмосферы, в виде молекулярного азота он недоступен для большинства живых систем. Способность фиксировать атмосферный азот в биологически активные формы — один из важнейших эволюционных шагов, который предопределил способность ранних организмов строить сложные структуры и развиваться.
Исследование древней нитрогеназы позволяет выстроить непосредственную связь между биохимией ранних микроорганизмов и геохимическими следами, обнаруживаемыми в древних горных породах.
Что обнаружили учёные
Хотя код ДНК древней нитрогеназы существенно отличался от современной, ключевой механизм фермента, который влияет на формирование изотопных сигналов, оказался сохранённым. Это означает, что изотопные подписи азота, найденные в древних породах и интерпретированные как биосигнатуры, действительно соответствуют активности нитрогеназы — фермента, который работал миллиарды лет назад так же, как и сегодня.
Изотопные подписи — это соотношения разных изотопов одного химического элемента (например, ^15N/^14N), которые могут сохраняться в осадочных породах. В биологических процессах изотопы распределяются специфическим образом, и такие шаблоны могут служить биосигнатурами, указывающими на присутствие жизни в прошлом.
Почему это важно для понимания ранней Земли
До сих пор интерпретация древних изотопных данных основывалась на допущении, что давние версии ферментов работали аналогично современным. Новая работа подтверждает это допущение специально для нитрогеназы: хотя фермент эволюционировал, принцип формирования характерных изотопных соотношений остался стабильным на протяжении миллиардов лет.
Это укрепляет уверенность в том, что геологические изотопные свидетельства азотфиксации могут быть надёжно интерпретированы как следы биологических процессов на ранней Земле, включая периоды до так называемого кислородного кризиса — времени до того, как в атмосфере Земли существенно выросло содержание свободного кислорода. В такой древней среде преобладали углекислый газ и метан, и жизнь существовала преимущественно в виде анаэробных микроорганизмов.
Влияние на астробиологию и поиск жизни за пределами Земли
Работа группы Качар также имеет прямое отношение к астробиологии — науке, изучающей происхождение, распространение и возможное существование жизни во Вселенной. Надёжные биосигнатуры, основанные на изотопных следах ферментативной активности, могут использоваться для оценки данных о других планетах и спутниках.
Консорциум MUSE, возглавляемый Бетюль Качар и объединяющий астробиологов, геологов и молекулярных биологов, намерен применять такие реконструкции древних ферментов в рамках подготовки и интерпретации миссий NASA по поиску признаков жизни на других планетах.
Понимание механизмов, которые были важны для ранней жизни на Земле, помогает уточнять, какие химические и изотопные признаки могут указывать на биологическую активность на других планетах. Это особенно актуально в контексте будущих наблюдений атмосфер экзопланет и анализов пород тел Солнечной системы, таких как Марс или океанные миры (например, Европа и Энцелад).
Преимущества реконструкции древних ферментов
Технология «воскрешения» древних ферментов представляет собой мощный инструмент, который дополняет традиционные методы изучения раннего земного биоследа, такие как анализ ископаемых остатков и геохимические измерения. В отличие от окаменелостей, ферменты не сохраняются напрямую в осадочных породах, но они оставляют изотопные отпечатки, которые могут быть интерпретированы при помощи реконструированных древних белков.
Синтетическая биология позволяет не только воссоздавать древние последовательности, но и исследовать как именно работали эти ферменты в условиях ранней Земли, включая атмосферный состав, температуру и химические условия.
Заключение
Воссоздание фермента возрастом 3,2 млрд лет представляет собой значительный шаг к пониманию того, как взаимодействовали химия и биология на ранней Земле. Подтверждение того, что древняя нитрогеназа формировала изотопные сигнатуры так же, как современные ферменты, даёт более глубокое основание для интерпретации древних геохимических данных.
Кроме того, этот подход открывает перспективы для поиска биосигнатур на других мирах: понимание того, какие изотопные следы оставляет за собой жизнь, может стать ключевым фактором в интерпретации будущих данных о потенциально обитаемых планетах и спутниках.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
