Konačno je rešena jedna od najvećih zagonetki o nastanku života na Zemlji

Tim naučnika sa Univerziteta Viskonsin-Medison, uz podršku NASA, uspeo je da rekonstruiše i “oživi” drevni enzim star oko 3,2 milijarde godina, a zatim da ga ispita.

Ovo istraživanje, objavljeno u časopisu Nature Communications, predstavlja značajan korak u razumevanju najranijih oblika života na Zemlji, ali i u razvoju pouzdanih metoda za pronalazak mogućih tragova života na drugim planetama.

Preporučujemo

"Odredio je tok razvoja života na Zemlji"

Istraživači su primenili metode sintetičke biologije kako bi, polazeći od savremenih enzima, rekonstruisali njihove pretpostavljene drevne pretke.

U središtu istraživanja našao se enzim nitrogenaza, ključni biološki katalizator procesa fiksacije azota, odnosno pretvaranja molekularnog azota iz Zemljine atmosfere u oblike koje živi organizmi mogu da koriste.

Bez ovog procesa život kakav danas poznajemo praktično ne bi bio moguć, prenosi News.wisc.edu.

Profesorka Betul Kačar, koja je predvodila istraživanje, ističe da su odabrali upravo enzim koji je imao presudnu ulogu u razvoju života na Zemlji.

“Odabrali smo enzim koji je doslovno odredio tok razvoja života na našoj planeti i zatim istražili njegovu evolutivnu istoriju“, rekla je.

Za razliku od fosila kostiju ili školjki, enzimi ne mogu da se fosilizuju. Zbog toga naučnici ne mogu direktno da proučavaju njihove drevne oblike. Umesto toga, istraživači su primenili pristup poznat kao rekonstrukcija ancestralnih sekvenci.

Analizom DNK savremenih mikroorganizama i njihovih međusobnih evolutivnih odnosa, tim je matematički rekonstruisao gene koji su najverovatnije postojali kod davnih predaka današnjih organizama. Tako sintetisani drevni geni zatim su ugrađeni u žive bakterije, koje su počele da proizvode drevne verzije nitrogenaze.

Na taj način, naučnici su prvi put mogli eksperimentalno da proučavaju biohemiju enzima koji je postojao pre oko 3,2 milijarde godina, praktično “vraćajući u život” deo izgubljene biohemije rane Zemlje.

Pre više od tri milijarde godina Zemlja je bila potpuno drugačije mesto nego danas. To je bilo vreme pre takozvanog Velikog oksidacionog događaja, kada u atmosferi gotovo da nije bilo slobodnog kiseonika. Umesto toga, dominirali su ugljen-dioksid i metan, dok su gotovo sav život činili anaerobni mikroorganizmi, organizmi kojima kiseonik nije bio potreban za opstanak.

Foto: Shutterstock/m.elyoussoufi

Indirektan trag - izotopski potpis azota

U takvom okruženju pristupačan azot predstavljao je jedan od ključnih uslova za razvoj života, jer je neophodan za izgradnju proteina, DNK i brojnih drugih bioloških molekula.

Nitrogenaza omogućava pretvaranje molekularnog azota (N₂), koji većina organizama ne može direktno da iskoristi, u jedinjenja poput amonijaka (NH₃). Time azot ulazi u lanac ishrane i postaje dostupan svim drugim organizmima.

Zbog toga, praktično čitava biosfera Zemlje zavisi od relativno male grupe mikroorganizama poznatih kao diazotrofi, koji poseduju ovaj enzim.

Među njima se nalaze i različite vrste bakterija. Neke slobodno žive u zemljištu ili vodi, dok drugi ostvaruju simbiotske odnose sa biljkama, lišajevima ili žive u digestivnom sistemu termita i crva.

Pošto enzimi ne mogu biti sačuvani u fosilima, naučnici su se decenijama oslanjali na njihov indirektan trag - izotopski potpis azota.

Tokom procesa fiksacije azota nitrogenaza neznatno menja odnos stabilnih izotopa azota. Kada mikroorganizmi uginu, njihov organski materijal završava u sedimentima koji se tokom milijardi godina pretvaraju u stene.

Taj karakterističan izotopski odnos ostaje sačuvan u geološkom zapisu i danas može da se izmeri veoma preciznim analizama stena.

Na osnovu tih potpisa geolozi procenjuju kada se nitrogenaza pojavila i kada je fiksacija azota postala deo biologije rane Zemlje.

Međutim, postojala je važna nedoumica. Pošto enzimi evoluiraju zajedno sa organizmima, postavljalo se pitanje da li su drevne nitrogenaze ostavljale isti izotopski potpis kao današnje. Ako nisu, onda bi veliki deo dosadašnjih tumačenja najstarijih stena mogao biti pogrešan.

Upravo je provera te pretpostavke bila glavni cilj novog istraživanja.

Foto: Shutterstock/Gorodenkoff

Dokaz o aktivnosti drevnih organizama

Eksperimenti su pokazali da, uprkos ogromnim razlikama u građi drevnih i savremenih nitrogenaza, osnovni biohemijski mehanizam koji određuje izotopski potpis ostao je praktično nepromenjen tokom više od tri milijarde godina evolucije.

Drugim rečima, i drevni i savremeni enzimi proizvode isti karakterističan izotopski signal koji danas ostaje sačuvan u stenama.

Glavna autorka rada Holi Raker ističe da su sekvence DNK drevnih nitrogenaza veoma različite od današnjih, kao i da se njihova prostorna struktura menjala tokom evolucije. Ipak, uprkos razlikama, drevni enzimi obavljali su istu hemijsku reakciju kao njihovi savremeni naslednici.

Ovo otkriće potvrđuje da izotopski potpisi pronađeni u najstarijim stenama zaista predstavljaju autentičan dokaz aktivnosti najranijih organizama koji su vršili fiksaciju azota.

Istovremeno, istraživanje pruža potvrdu da geološki zapisi pravilno beleže vreme nastanka jednog od najvažnijih metaboličkih procesa u istoriji života.

Ipak, naučnici nisu rekonstruisali samo jednu drevnu verziju nitrogenaze. Sintetisali su čitavu kolekciju gena koji predstavljaju različite evolutivne faze ovog enzima tokom približno dve milijarde godina njegove istorije.

Na taj način, dobili su jedinstven uvid u to kako se nitrogenaza postepeno menjala kroz vreme, koje su se njene osobine očuvale, a koje prilagođavale promenama životne sredine.

Posebno je zanimljivo što se pokazalo da je upravo mehanizam odgovoran za stvaranje izotopskog potpisa ostao izuzetno stabilan, uprkos velikim promenama u sekvenci DNK, trodimenzionalnoj strukturi enzima i dramatičnim promenama koje je Zemlja prolazila tokom svoje geološke istorije.

Tradicionalno, naučnici su rekonstrukciju najranije istorije života zasnivali gotovo isključivo na fosilima i geološkim uzorcima. Međutim, takvi nalazi su retki, često fragmentarni i u velikoj meri zavise od sreće prilikom njihovog otkrivanja.

Foto: NASA

Postojanje drevnih metaboličkih procesa?

Autori smatraju da sintetička biologija sada postaje moćan novi alat koji može da dopuni geološke podatke.

Umesto da proučavaju samo tragove koje su drevni organizmi ostavili u stenama, istraživači mogu da rekonstruišu njihove proteine, ubace ih u savremene mikroorganizme i direktno ispituju kako su funkcionisali pre milijardi godina.

Takav pristup omogućava da se popune praznine u razumevanju evolucije života koje fosili sami ne mogu da objasne.

Istraživanje ima veliki značaj i za astrobiologiju.

Profesorka Kačar predvodi istraživački konzorcijum MUSE, koji finansira NASA, a koji okuplja astrobiologe, geologe, mikrobiologe i molekularne biologe sa ciljem da razume kako su najraniji oblici života evoluirali na Zemlji i kako bi se njihovi tragovi mogli prepoznati na drugim svetovima.

Pošto je sada potvrđeno da su izotopi azota pouzdan pokazatelj biološke aktivnosti, oni bi u budućnosti mogli da posluže kao jedan od ključnih pokazatelja prilikom istraživanja Marsa ili drugih planeta.

Ako bi robotizovane ili buduće ljudske misije na drugim planetama pronašle slične izotopske obrasce, oni bi mogli ukazivati na postojanje drevnih metaboličkih procesa koji su nekada podržavali život u uslovima potpuno drugačijim od današnjih.

Kako naglašava profesorka Kačar, potraga za životom u svemiru mora da počne razumevanjem najdublje prošlosti naše planete, prenosi NASA.

“Ako želimo da prepoznamo život izvan Zemlje, ne možemo se ograničiti na život kakav danas poznajemo. Potvrđeni biološki potpisi, poput izotopa azota, predstavljaju moćan alat za planetarna istraživanja i pružaju pristup izgubljenim biološkim istorijama. Ukoliko slični signali budu pronađeni na Marsu ili drugim planetama, mogli bi ukazivati na drevne metaboličke procese koji su nekada podržavali život u sasvim drugačijim uslovima. Proučavanje ovih sistema pomaže nam da razumemo ne samo gde život može da postoji, već i šta život uopšte može biti“, istakla je.

(Telegraf.rs)