Pre Velikog oksidacijskog događaja, kada je kiseonik počeo snažno da menja atmosferu, bilo je više ugljenikovog dioksida i metana u vazduhu, a život su uglavnom činili anaerobni mikrobi, mikroorganizmi koji nisu zavisili od kiseonika. Razumevanje toga kako su dolazili do tako važnog nutrijenta kao što je azot daje jasniju sliku opstanka i evolucije života pre nego što su organizmi zavisni od kiseonika počeli da menjaju planetu.
Kako je izgledao život na Zemlji pre više od tri milijarde godina? Naučnici su u laboratoriji oživeli drevne verzije enzima nitrogenaze i pokazali da su ostavljale gotovo isti hemijski trag kao današnji njeni potomci, što bi moglo pomoći u tumačenju tragova života u stenama starim čak 3,2 milijarde godina. To ne znači da su iz stene izdvojili ostatke enzima poput kostiju fosila. Naime, pomoću moderne biologije pokušali su da vrate evoluciju unatrag i provere kako je radila jedna od najvažnijih molekularnih mašina života. Bez enzima nitrogenaze život kakav poznajemo ne bi mogao postojati. Enzimi su biološki katalizatori, molekuli koji ubrzavaju hemijske reakcije u živim bićima; gotovo svi su proteini, no neki mogu biti i RNK molekuli, tzv. ribozimi. Novo istraživanje objavljeno je u časopisu Nature Cpmmunications.
Zašto je taj enzim toliko važan? U svojoj studiji istraživači su se usredsredili na azot, hemijski element bez kojeg ne bi bilo života. Oko 78 % današnje Zemljine atmosfere čini gasoviti azot (N2). Ali u tom obliku on je za većinu živih bića praktično neupotrebljiv. Biljkama, životinjama, gljivama i mikrobima azot je potreban za izgradnju proteina, DNK, RNK i drugih osnovnih molekula života, međutim ne mogu ga jednostavno preuzeti iz vazduha jer je molekul vrlo stabilan. Tu nastupaju posebni mikroorganizmi, uglavnom bakterije i neke arheje, koji ga otključaju vazduha. Taj proces zove se fiksacija azota, a sprovodi ga enzim nitrogenaza. On razbija izuzetno čvrstu trostruku vezu u molekulu (N2) i pretvara atmosferski azot u amonijak (NH3), oblik koji živa bića mogu koristiti za izgradnju aminokiselina, DNK i drugih važnih molekula.
Betul Kačar, profesorka bakteriologije na Univerzitetu Viskonsin-Medison i jedna od autorki naučnog rada izjavila je da je njen tim odabrao enzim koji je odredio funkcionisanje života na Zemlji i potom proučio njegovo poreklo. „Bez nitrogenaze ne bi bilo života kakav poznajemo”, istakla je. Nevolja je u tome što se enzimi ne fosilizuju kao kosti ili školjke. Naučnici stoga u drevnim stenama ne mogu pronaći samu nitrogenazu, već samo hemijske tragove koje su ostavili davni biološki procesi u kojima je ona učestvovala. Jedan od takvih tragova su izotopi azota. Izotopi su, inače, različite verzije istog hemijskog elementa. Na primer, azot-14 i azot-15 imaju malo različitu masu. Živi organizmi često drukčije koriste lakše i teže izotope, pa iza sebe ostavljaju prepoznatljiv hemijski potpis. U stenama starim milijardama godina upravo se takvi zapisi traže. Ako srazmera azota-14 i azota-15 izgleda kao trag biološke fiksacije azota, to može značiti da su ga mikrobi već tada izvlačili iz atmosfere.
Studija objavljena 2015. u časopisu Nature pronašla je izotopne dokaze za biološku fiksaciju azota pre 3,2 milijarde godina. Koautor Rodžer Bjuik sa Univerziteta Vašington rekao je da nalazi upućuju na to da su organizmi pre 3,2 milijarde godina mogli da fiksiraju atmosferski azot (N2), odnosno da ga pretvaraju u oblik koji život može koristiti, pa rana Zemlja nije oskudevala u biološki dostupnom azotu. Ipak, ostalo je važno pitanje. Kada naučnici u vrlo staroj steni vide trag koji sliči tragu današnje nitrogenaze, pretpostavljaju da je drevna radila slično kao današnja. No, evolucija stalno menja živa bića i njihove molekule. Šta ako je drevna nitrogenaza ostavljala drugačiji trag?
Novo istraživanje pokušalo je upravo to proveriti. Naučnici su upoređivanjem današnjih gena za nitrogenazu računarski rekonstruisali moguće gene njihovih davnih predaka. Potom su ih ubacili u žive mikrobe. Tako su mogli pratiti kako se oživljene drevne verzije enzima ponašaju u stvarnim ćelijama. Derek Haris, viši naučni saradnik na Univerzitetu Juta, objasnio je da su uradili karakterizaciju biblioteke sintetski rekonstruisanih gena nitrogenaze predaka i u laboratoriji merili frakcioniaanje izotopa azota u ćelijaama konstruisanih sojeva. Jednostavnije rečeno, merili su kakav hemijski 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 naučnom radu se navodi da su izmerene izotopne srazmere, odnosno razlike u udelu lakšeg azota-14 i težeg azota-15 bile otprilike između -1 i -3 promila. To se podudara s tragovima u arhejskim sedimentnim stenama i s tragovima današnjih mikroba koji koriste molibden zavisnu nitrogenazu.
Holi Raker, doktorandkinja u laboratoriji Betul Kačar i glavna autorka pomenutog članka, otkriva da su se pitali interpretiraju li ispravno zapise iz stena. „Ispalo je – da, barem za nitrogenazu. Potpisi koje vidimo u drevnoj prošlosti isti su kao oni koje vidimo danas, što nam govori više i o samom enzimu”. Ona ističe da je Zemlja pre tri milijarde godina bila veoma drugačija od današnje. Pre Velikog oksidacijskog događaja, kada je kiseonik počeo snažno da menja atmosferu, bilo je više ugljenikovog dioksida i metana u vazduhu, a život su uglavnom činili anaerobni mikrobi, mikroorganizmi koji nisu zavisili od kiseonika. Razumevanje toga kako su dolazili do tako važnog nutrijenta kao što je azot daje jasniju sliku opstanka i evolucije života pre nego što su organizmi zavisni od kiseonika počeli da menjaju planetu.
Istraživanje je važno i zbog potraga za životom van Zemlje. Ako buduće misije na Marsu ili nekoj drugoj stenovitoj planeti pronađu stare minerale sa azotovim izotopnim potpisom nalik biološkoj fiksaciji, naučnici će imati bolji alat za tumačenje takvog nalaza. To ne bi automatski značilo da je pronađen život, ali bi predstavljalo ozbiljan trag. Betul Kačar je naglasila da se u traganju za vanzemaljskim životom ne možemo ograničiti na život kakav poznajemo danas na Zemlji. U razgovoru za NASA koja je, pored ostalog, finansirala studiju, dodala je da potvrđeni biosignali, poput izotopa azota, nude snažan alat za planetarna istraživanja i pristup izgubljenim biološkim povestima.
Zanimljivo je to što je naučni tim tokom studije utvrdio da je mehanizam koji kontroliše izotopni potpis sačuvan u geološkom zapisu ostao isti, iako su drevne nitrogenaze kodirali geni s drugačijim sekvencama DNK od onih koje kodiraju današnje verzije enzima. Nalaz ne znači da su naučnici pronašli drevni gen, nego da su ga rekonstruisali poređenjem gena za nitrogenazu u današnjim organizmima. To je slično kao otkrivanje izgleda nekog prajezika upoređivanjem postojećih dijalekata. A Holi Raker se nada da će u budućim studijama istražiti zašto se taj mehanizam očuvao dok su se drugi delovi sistema razvijali.
(Ilustracija Jeff Miller/UW-Madison, AI)
(Indeks)