KAKO je izgledao život na Zemlji prije više od tri milijarde godina? Znanstvenici su u laboratoriju “oživjeli” drevne verzije enzima nitrogenaze i pokazali da su ostavljale gotovo isti kemijski trag kao njihovi današnji potomci. To bi moglo pomoći u tumačenju tragova života u stijenama starima čak 3.2 milijarde godina.

Vraćanje evolucije unazad

To ne znači da su iz stijene izdvojili ostatke enzima poput kostiju fosila. Tim je pomoću moderne biologije pokušao vratiti evoluciju unatrag i provjeriti kako je radio jedan od najvažnijih molekularnih strojeva života.

Riječ je o nitrogenazi, enzimu bez kojeg život kakav poznajemo ne bi mogao funkcionirati. Enzimi su biološki katalizatori, molekule koje ubrzavaju kemijske reakcije u živim bićima; gotovo svi su proteini, no neki mogu biti i RNA molekule, tzv. ribozimi. Novo istraživanje objavljeno je u časopisu Nature Communications.

Zašto je taj enzim toliko važan?

U svojoj studiji tim se usredotočio na dušik, element bez kojeg ne bi bilo života. Oko 78 % današnje Zemljine atmosfere čini plinoviti dušik N₂. No u tom obliku on je za većinu živih bića praktično neupotrebljiv. Biljkama, životinjama, gljivama i mikrobima dušik treba za izgradnju proteina, DNA, RNA i drugih osnovnih molekula života, ali ga ne mogu jednostavno uzeti iz zraka jer je molekula N₂ vrlo stabilna.

Tu nastupaju posebni mikroorganizmi, uglavnom bakterije i neke arheje, koji mogu “otključati” dušik iz zraka. Taj proces zove se fiksacija dušika, a provodi ga enzim nitrogenaza. On razbija iznimno čvrstu trostruku vezu u molekuli N₂ i pretvara atmosferski dušik u amonijak (NH₃), oblik koji živa bića mogu koristiti za izgradnju aminokiselina, DNA i drugih važnih molekula.

Betül Kaçar, profesorica bakteriologije na University of Wisconsin-Madison i jedna od autorica rada (slika gore), rekla je da je njezin tim odabrao enzim koji je odredio funkcioniranje života na Zemlji te potom istražio njegovu povijest.

"Bez nitrogenaze ne bi bilo života kakav poznajemo", istaknula je.

Potraga za tragovima enzima

Problem je u tome što enzimi ne fosiliziraju kao kosti ili školjke. Znanstvenici stoga u drevnim stijenama ne mogu pronaći samu nitrogenazu, već samo kemijske tragove koje su ostavili davni biološki procesi u kojima je ona sudjelovala.

Jedan od takvih tragova su izotopi dušika. Izotopi su različite verzije istog kemijskog elementa. Primjerice, dušik-14 i dušik-15 oba su dušik, ali imaju malo različitu masu. Živi organizmi često malo drukčije koriste lakše i teže izotope, pa iza sebe ostavljaju prepoznatljiv kemijski potpis.

U stijenama starim milijardama godina znanstvenici već dugo traže upravo takve potpise. Ako omjer dušika-14 i dušika-15 izgleda kao trag biološke fiksacije dušika, to može značiti da su mikrobi već tada izvlačili dušik iz atmosfere.

Najstariji tragovi fiksacije dušika

Jedna studija objavljena 2015. u časopisu Nature pronašla je izotopne dokaze za biološku fiksaciju dušika prije 3.2 milijarde godina.

Koautor studije Roger Buick s University of Washington je rekao da nalazi upućuju na to da su organizmi već prije 3.2 milijarde godina mogli fiksirati atmosferski N₂, odnosno pretvarati ga u oblik koji život može koristiti, pa rana Zemlja nije oskudijevala biološki dostupnim dušikom.

Ipak, ostalo je važno pitanje. Kada znanstvenici u vrlo staroj stijeni vide trag koji sliči tragu današnje nitrogenaze, pretpostavljaju da je drevna nitrogenaza radila slično kao današnja. No evolucija stalno mijenja živa bića i njihove molekule. Što ako je drevna nitrogenaza ostavljala drugačiji trag?

"Oživljavanje" drevnih enzima

Novo istraživanje pokušalo je provjeriti upravo to. Znanstvenici su usporedbom današnjih gena za nitrogenazu računalno rekonstruirali moguće gene njihovih davnih predaka. Potom su te rekonstruirane gene ubacili u žive mikrobe. Tako su mogli pratiti kako se "oživljene" drevne verzije enzima ponašaju u stvarnim stanicama.

Derek Harris, viši znanstvenik na Utah State University, rekao je da je njihova uloga bila karakterizirati biblioteku sintetski rekonstruiranih gena nitrogenaze predaka te u laboratoriju mjeriti frakcioniranje izotopa dušika u stanicama konstruiranih sojeva. Jednostavnije rečeno, mjerili su kakav kemijski potpis ostavljaju ti drevni enzimi kada se "ožive" u današnjim organizmima.

Rezultat je bio važan zato što nije bio čudan. Drevne verzije nitrogenaze, iako su se razlikovale od današnjih, ostavljale su vrlo sličan izotopni trag. U radu se navodi da su izmjereni izotopni omjeri, odnosno razlike u udjelu lakšeg dušika-14 i težeg dušika-15, bili otprilike između -1 i -3 promila. To se podudara s tragovima u arhejskim sedimentnim stijenama i s tragovima današnjih mikroba koji koriste molibden-ovisnu nitrogenazu.

Holly Rucker, doktorandica u laboratoriju Betül Kaçar i glavna autorica rada (slika gore), kaže da su se pitali interpretiraju li ispravno zapise iz stijena.

"Ispalo je da da, barem za nitrogenazu. Potpisi koje vidimo u drevnoj prošlosti isti su kao oni koje vidimo danas, što nam potom govori više i o samom enzimu", pojasnila je.

Vrlo drugačija Zemlja

Rucker ističe da je Zemlja prije tri milijarde godina bila vrlo drugačija od današnje. Prije Velikog oksidacijskog događaja, kada je kisik počeo snažno mijenjati atmosferu, u zraku je bilo više ugljikova dioksida i metana, a život su uglavnom činili anaerobni mikrobi, odnosno mikroorganizmi koji nisu ovisili o kisiku. Razumijevanje toga kako su oni dolazili do tako važnog nutrijenta kao što je dušik daje jasniju sliku o tome kako je život opstajao i evoluirao prije nego što su organizmi ovisni o kisiku počeli mijenjati planet.

Potraga za životom u svemiru

Istraživanje je važno i za potragu za životom izvan Zemlje. Ako buduće misije na Marsu ili nekom drugom stjenovitom planetu pronađu stare minerale s dušikovim izotopnim potpisom nalik biološkoj fiksaciji, znanstvenici će imati bolji alat za tumačenje takvog nalaza. To ne bi automatski značilo da je pronađen život, ali bi bio ozbiljan trag.

Kaçar je istaknula da se u potrazi za vanzemaljskim životom ne možemo ograničiti na život kakav poznajemo danas na Zemlji. U razgovoru za NASA-u, koja je, među ostalima, financirala studiju, dodala je da potvrđeni biosignali, poput izotopa dušika, nude snažan alat za planetarna istraživanja i pristup izgubljenim biološkim povijestima.

Život je evoluirao, ali je kemijski potpis ostao sličan

Zanimljivo je to što je tim tijekom studije utvrdio da je mehanizam koji kontrolira izotopni potpis sačuvan u geološkom zapisu ostao isti, iako su drevne nitrogenaze kodirali geni s drugačijim sekvencama DNA od onih koje kodiraju današnje verzije enzima.

Nalaz ne znači da su znanstvenici pronašli drevni gen, nego da su ga rekonstruirali usporedbom gena za nitrogenazu u današnjim organizmima. To je slično kao otkrivanje izgleda nekog prajezika usporedbom postojećih dijalekata.

Rucker se nada da će u budućim studijama istražiti zašto se taj mehanizam očuvao dok su se drugi dijelovi sustava razvijali.