Метод синтетической биологии (реверс-инжиниринг) позволил группе под руководством Бетюль Качар заглянуть в эпоху, когда атмосфера Земли была лишена кислорода и насыщена метаном. Объектом внимания стала нитрогеназа — важнейший белок, превращающий атмосферный азот в доступную для живых существ форму.
Ученые реконструировали фермент, расщеплявший азот 3,2 миллиарда лет назад
Ученые из Университета Висконсин-Мэдисон совершили прорыв в изучении истоков земной биосферы, — они реконструировали фермент возрастом 3,2 миллиарда лет. Исследователи реконструировали предка нитрогеназы и интегрировали его в современные микробы, создав уникальный метод изучения эволюции и поиска жизни в космосе.
Бетул Какар демонстрирует образцы в своей лаборатории. Jeff Miller/UW–Madison
Нитрогеназа уникальна тем, что она является единственным природным инструментом для разрыва сверхпрочной тройной связи в молекуле атмосферного азота. Чтобы понять условия на древней Земле, ученые анализируют соотношение изотопов азота-15 и азота-14 в осадочных породах. Исследование доказало, что это соотношение — «автограф» жизни — не изменилось за три миллиарда лет. Это позволяет геологам уверенно отличать биологические процессы от абиогенных реакций в образцах возрастом в миллиарды лет.
Биологи воссоздали «молекулярную окаменелость» в лаборатории. Они «отмотали» время назад, сравнивания генетические отличия в различных клетках и постепенно двигаясь к «общему предку». В результате ученым удалось воссоздать белок, существовавший 3,2 миллиарда лет назад.
Это дает возможность увидеть, как первые микроорганизмы осваивали жизненно важные питательные вещества задолго до появления сложных организмов. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
«Мы выбрали фермент, который фактически задал тон жизни на нашей планете, а затем исследовали его историю. Без нитрогеназы жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, была бы невозможна», — подчеркивает соавтор работы Бетюль Качар. Анализ показал, что механизмы работы этого древнего белка оставались стабильными на протяжении миллиардов лет, несмотря на колоссальные изменения окружающей среды.
След в камне
Восстановление древних азотфиксирующих бактерий. Схема методов, используемых для вставки генов предков в геном хозяина A. vinelandii
Вторая часть исследования была посвящена проверке точности изотопных подписей, которые нитрогеназа оставляет в древних породах. Ученые не были до конца уверены, что современные представления об этих химических следах верны применительно к далекому прошлому.
Но эксперимент с «воскрешенным» ферментом подтвердил: изотопный след нитрогеназы идентичен на протяжении всей истории Земли. Это открытие превращает азотные изотопы в надежный биомаркер для астробиологов. Теперь у исследователей есть выверенный инструмент для оценки потенциальных признаков жизни на других планетах.
Марсоход Curiosity обнаружил на Марсе соединения азота.
Это открытие необыкновенно важно для исследований Марса. Марсоходы умеют измерять соотношение изотопов азота-15 и азота-14. Но ученые не были уверены: одинаково ли «расщепляют» азот древние ферменты и современные?
Работа Бетюль Качар доказала: изотопная подпись нитрогеназы не менялась миллиарды лет. Это значит, что если будущие миссии обнаружат специфическое соотношение изотопов азота, мы сможем с гораздо большей уверенностью сказать: «Да, это сделал живой организм, похожий на земной», а не просто удар молнии.