Фермент возрастом 3,2 миллиарда лет ожил и готов к поискам жизни за пределами Земли

Исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон воссоздали древнейший фермент, существовавший более 3,2 миллиарда лет назад, с помощью методик синтетической биологии. Этот прорыв поможет глубже понять, как зарождалась жизнь на Земле, а также станет новым инструментом для поиска признаков жизни за её пределами. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Воссоздание древней нитрогеназы

Центральной темой исследования стал фермент нитрогеназа, ключевой биологический механизм, который позволяет живым существам преобразовывать атмосферный азот в доступную для них форму. Нитрогеназа является важнейшим элементом биосферы, так как она обеспечивает функционирование всех живых организмов, нуждающихся в азоте для синтеза белков и других важных молекул.

Авторы работы подчеркивают, что без нитрогеназы жизнь на Земле, как мы её знаем, не могла бы зародиться. Изучение этого фермента может помочь понять, как жизнь существовала на ранних этапах эволюции Земли, когда атмосфера была сильно отличной от современной — так же, как анализ цирконов позволил увидеть древние пейзажи Австралии, давший новые данные о климате и строении ранней планеты.

"Без нитрогеназы жизнь не могла бы существовать в том виде, в каком мы её знаем", — утверждают исследователи.

Методика обратной эволюции

Традиционные подходы к изучению древних ферментов включают анализ редких геологических находок, однако учёные из Университета Висконсин-Мэдисон использовали методику, называемую обратной эволюционной реконструкцией. Этот метод позволил восстановить предполагаемую структуру древней версии нитрогеназы, основываясь на современных ферментах, встроить её в геном бактерий и наблюдать, как она функционирует в условиях лаборатории.

Такая реконструкция дала учёным возможность "заглянуть" в период, когда Земля была почти без кислорода и жизнь в основном существовала в виде анаэробных микроорганизмов. Атмосфера того времени была насыщена углекислым газом и метаном, и доступ к азоту был ключевым для выживания.

Изотопные сигнатуры как ключ к древней жизни

Одним из важнейших аспектов исследования стали изотопные сигнатуры, оставленные ферментами в горных породах. Ранее учёные предполагали, что древние ферменты синтезировали те же изотопные соотношения, что и современные, но не имели прямых доказательств этой гипотезы.

Эксперименты показали, что хотя существует значительная разница в ДНК древней и современной нитрогеназы, механизм, отвечающий за создание изотопных сигнатур азота, за миллиарды лет почти не изменился.

"Мы доказали, что изотопные сигнатуры, оставленные древними ферментами, практически идентичны современным. Это важный шаг в понимании биосигнатур", — отметил один из авторов исследования.

Применение для астробиологии

Полученные результаты важны не только для понимания эволюции жизни на Земле, но и для астробиологии. Изучение старейших биологических процессов помогает учёным создать более точные эталоны биосигнатур, которые могут использоваться при поисках признаков жизни на других планетах — как в недавних исследованиях атмосфер экзопланет, помогающих искать следы жизни.

"Наши результаты дают новый надежный эталон для поиска биосигнатур, что важно для будущих исследований жизни за пределами Земли", — добавляют учёные.

Это исследование открывает новые горизонты как для понимания истории жизни на Земле, так и для астробиологии. Воссоздание древней нитрогеназы помогает научному сообществу не только заглянуть в прошлое нашей планеты, но и создавать методы поиска следов жизни на других планетах.