Ученые «воскресили» фермент возрастом 3,2 миллиарда лет, чтобы понять, как зародилась жизнь на Земле

Ученые воссоздали древние азотфиксирующие ферменты, открыв редкое окно в биологию самой ранней жизни на Земле. Источник: AI/ScienceDaily.com

Азот необходим для всех известных форм жизни на Земле. Теперь ученые утверждают, что этот распространенный элемент может также помочь объяснить, как зародилась жизнь на нашей планете и как она могла бы развиваться в других уголках Вселенной.

«Всем живым организмам для выживания нужен азот, и, хотя он повсюду вокруг нас, мы не можем получить его напрямую», — говорит биохимик из Университета штата Юта Лэнс Сифельдт. «Ферменты, называемые нитрогеназами, обеспечивают фиксацию азота, превращая его в форму, доступную для растений, животных, людей и других форм жизни. И мы только начинаем понимать, насколько сильно эти нитрогеназы эволюционировали за четырехмиллиардную историю Земли».

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, Сифельдт, старший научный сотрудник USU Дерек Харрис и их коллеги из финансируемого NASA проекта «Использование и отбор металлов на протяжении эонов» (MUSE) в Университете Висконсин-Мэдисон использовали синтетическую биологию, чтобы «отмотать назад» эволюцию современных нитрогеназ и реконструировать возможные древние версии этих ферментов.

Воссоздание древних азотфиксирующих ферментов

«Наша роль в исследовании заключалась в характеристике библиотеки синтетически реконструированных генов древних нитрогеназ», — говорит Харрис. «В контролируемых лабораторных условиях мы измеряли фракционирование изотопов азота в биомассе клеток сконструированных штаммов».

Исследование позволило ученым изучить, как древние нитрогеназы могли функционировать миллиарды лет назад.

Сифельдт, который является профессором и заведующим кафедрой химии и биохимии USU, потратил более 30 лет на изучение структуры и функции нитрогеназ. Он говорит, что возможность воссоздавать древние формы этих ферментов знаменует собой важный шаг вперед в попытках понять происхождение жизни на Земле и, возможно, на других мирах.

«До сих пор наука полагалась на древние породы и окаменелости для изучения ранней жизни», — говорит он. «Наша планета миллиарды лет назад была совершенно другой. Современные микробы получают азот из атмосферы с помощью нитрогеназ, которые являются лишь одним семейством ферментов. Изучение окаменевших ферментов предполагает, что древние ферменты давали такие же изотопные сигнатуры, как и современные».

Новые ключи к разгадке ранней Земли

По словам Сифельдта, реконструированные нитрогеназы предоставляют новый способ изучения того, какими могли быть условия на Земле и в ее атмосфере в далеком прошлом.

«Понимание нитрогеназ, как древних, так и современных, имеет решающее значение для решения текущих сельскохозяйственных проблем в условиях меняющегося климата, включая регионы, подверженные риску голода из-за засухи и отсутствия доступа к коммерческим удобрениям», — говорит он.

Полученные результаты могут также иметь практическое применение за пределами Земли. Сифельдт, который участвовал в других проектах, финансируемых NASA, говорит, что эта работа вносит вклад в текущие усилия по определению того, как можно выращивать пищу в космосе и на Марсе.

Значение для поиска жизни за пределами Земли

Бетюль Качар, профессор бактериологии в Университете Висконсин-Мэдисон, директор проекта MUSE и автор-корреспондент исследования, говорит, что результаты дают более четкое представление о том, как жизнь выживала и эволюционировала до того, как кислородозависимые организмы изменили планету.

«Поиск жизни начинается здесь, дома, а нашему дому четыре миллиарда лет», — говорит она. «Поэтому нам нужно понимать наше собственное прошлое. Нам нужно понимать жизнь до нас, если мы хотим понять жизнь после нас и жизнь в других местах».

Источники:

Материалы предоставлены Университетом штата Юта.

Holly R. Rucker, Kunmanee Bubphamanee, Derek F. Harris, Kurt Konhauser, Lance C. Seefeldt, Roger Buick, Betül Kaçar. Resurrected nitrogenases recapitulate canonical N-isotope biosignatures over two billion years. Nature Communications, 2026; 17 (1) DOI: 10.1038/s41467-025-67423-y