Mezinárodní skupině vědců se podařilo to, co ještě donedávna znělo jako sci-fi: v laboratoři vyrobit verzi nitrogenázy, enzymu, který umožňuje určitým mikroorganismům využívat dusík ze vzduchu, tak jak existoval přibližně před 3,2 miliardami let.
Po vložení do současných bakterií ověřili, že enzym i nadále plní svou funkci. Práci, publikovanou v časopise Nature Communications, vede Betül Kaçar, výzkumnice z Univerzity Wisconsin-Madison a vedoucí projektu MUSE agentury NASA.
Klíč k využití dusíku
Ačkoli dusík tvoří přibližně 78 % zemské atmosféry, prakticky žádný organismus jej nedokáže přímo využít. Je to, jako bychom byli obklopeni potravou zamčenou pod zámkem. Nitrogenáza funguje přesně jako tento klíč: jedná se o enzym, tedy biologický urychlovač chemických reakcí, který přeměňuje plynný dusík na amoniak. Tato chemická forma je pro živé organismy skutečně využitelná; potřebují ji k tvorbě bílkovin, DNA a prakticky všech základních molekul. Bez tohoto mechanismu by se většina života na Zemi nikdy nemohla rozvinout.
Rekonstrukce minulosti molekula po molekule
Aby vědci mohli znovu vytvořit tento pravěký enzym, využili molekulární paleobiologii, obor zabývající se rekonstrukcí bílkovin z dávných dob. Tento postup připomíná metodu, kterou používají lingvisté, když porovnávají moderní jazyky, jako je španělština, francouzština nebo sanskrt, aby odvodili, jak zněl jejich společný předek, protoindoevropština: nikdo ji nikdy neslyšel, ale shody mezi současnými jazyky umožňují přiblížit se k ní s pozoruhodnou přesností.
Podobně tým Kaçara analyzoval sekvence nitrogenáz, které se dnes vyskytují ve stovkách různých organismů, a pomocí evolučních modelů vypočítal pravděpodobné složení jejich společných předků. Tyto rekonstruované geny byly syntetizovány v laboratoři, vloženy do moderních bakterií a ty vyprodukovaly nitrogenázu téměř identickou s tou, kterou by používali někteří z prvních obyvatel planety.
Nepoznatelné Země
Vrátit se o 3,2 miliardy let zpět znamená představit si Zemi radikálně odlišnou. Neexistovaly žádné stromy, zvířata ani rostliny. Kontinenty se teprve začaly formovat, chemické složení oceánů se výrazně lišilo od dnešního a kyslík byl vzácný. Jediným životem byly nepatrné mikroorganismy. A přesto už tehdy tyto organismy sdílely s námi jednu zásadní potřebu: přístup k dusíku, aby mohly přežít.
Stopa, která zůstává nezměněna
Když bakterie vázají dusík pomocí nitrogenázy, nezačleňují všechny atomy stejně: mírně upřednostňují jeden izotop před druhým. Tato preference zanechává charakteristickou chemickou stopu, nepostřehnutelnou pouhým okem, ale schopnou se zachovat v sedimentech po miliardy let. Geologové již desítky let interpretují tuto izotopovou stopu jako důkaz, že již v dávných dobách existovaly organismy vázající dusík.
Přetrvávala však oprávněná pochybnost: co když ten pravěký enzym fungoval jinak? Co když ho evoluce natolik proměnila, že moderní stopy nejsou pro čtení nejstarších hornin použitelné?
Experiment tyto pochybnosti rozptýlil. Navzdory více než 3 200 milionům let uplynulé evoluce zanechával oživený enzym prakticky stejnou izotopovou stopu jako jeho současné verze. Odborníci proto docházejí k závěru, že stopy nalezené v nejstarších sedimentech představují mnohem spolehlivější důkaz, než se předpokládalo: skutečnou stopu primitivního života, a nikoli artefakt zaniklé biochemie.
Pohled za hranice Země
Snad nejzajímavější důsledek tohoto objevu směřuje mimo naši planetu. Pokud se tato chemická stopa udržela stabilní od prvních pozemských mikroorganismů až do dneška, mohla by sloužit jako nástroj k vyhledávání života na jiných světech. Porozumění tomu, jak fungovala prvotní biochemie Země, učí vědce, jaké signály hledat na Marsu, ve starých sedimentech jiných nebeských těles nebo, časem, ve skalách vzdálených planet. Poprvé se vědci neomezují pouze na interpretaci chemických fosilií: přímo experimentují s úlomkem minulosti.