NASA'nın Dünyanın Ötesindeki Yaşam Arayışında Antik Enzimlerin Diriltilmesi

NASA destekli bilim insanları, ilk kez 3,2 milyar yıl önce Dünya'daki organizmalar tarafından kullanılan bir enzimi yeniden canlandırdılar ve bu süreçte, Dünya'daki eski yaşamı anlamak için kullanılan kayalardaki kimyasal biyoimzayı doğruladılar. Araştırma, gezegenimizin tarihinin erken dönemlerinde Dünya'nın biyosferinin nasıl olduğuna dair yeni bir anlayış sağlıyor ve robotik veya insan kaşifler tarafından diğer dünyalardaki eski yaşamın işaretlerini aramak için kullanılabilecek güvenilir bir biyoimzayı doğruluyor.

çalışmak22 Ocak'ta Nature Communications'da yayınlanan makale, nitrojen fiksasyonu veya diazotrofi adı verilen bir metabolizma türüne odaklanıyor. Bu süreç, Dünya atmosferindeki biyolojik olarak kullanılamayan nitrojeni, tüm canlı organizmaların hayatta kalmak için kullandığı moleküllere dönüştüren şeydir.
Dünya üzerinde nitrojen fiksasyonunu gerçekleştirebilen diazotroflar adı verilen seçkin bir organizma grubu vardır. Bu grup, hayat ağacının farklı dallarında noktasal olarak bulunan, rengarenk bir bakteri (ve birkaç arke ve ökaryot) ekibinden oluşur. Bazı diazotroflar, günlük yaşamlarında nitrojeni sabitleyen serbest yaşayan organizmalardır. Diğerleri simbiyotiktir ve bitki kökleri, likenler, mantarlar ve hatta termitlerin ve gemi kurtlarının bağırsakları gibi yerlerde yaşayarak diğer organizmalarla ortaklaşa hayatta kalırlar.
Bu çeşitli organizma grubunu birbirine bağlayan şey, hepsinin nitrojenaz adı verilen bir enzim içermesidir. Bu enzim onlara atmosferdeki nitrojen gazını, proteinler ve DNA gibi yaşamın en önemli moleküllerinden bazılarını oluşturmak için gerekli olan bileşiklere dönüştürme gücü verir. Spesifik olarak diatomik nitrojeni (N) dönüştürürler.2) amonyak (NH) gibi biyolojik olarak faydalı nitrojen formlarına dönüştürür3), böylece nitrojenin besin zincirine girmesine izin verir.
Bu şekilde, Dünya'nın tüm biyosferindeki her organizma, hepimizin hayatta kalması için ihtiyaç duyduğu nitrojeni sağlamak için diazotroflara güvenir.

Nitrojen fiksasyonu bildiğimiz şekliyle yaşam için kritik olduğundan, bilim adamları nitrojenazın yaşam tarihinin erken dönemlerinde, yalnızca tek hücreli mikroorganizmaların var olduğu bir dönemde evrimleşmiş olması gerektiğine inanıyorlar.

Wisconsin-Madison Üniversitesi'nde Kaçar Laboratuvarı'nın başında bulunan Betül Kaçar, "Dünyadaki ilk yaşam, günümüzden o kadar farklı koşullar altında işliyordu ki neredeyse yabancı gibi görünebilir" dedi. Kaçar ve ekibi, NASA'nın desteğiyle, antik organizmaların kullandığı soyu tükenmiş biyokimyaları yeniden inşa ederek, gezegen ölçeğinde yaşamın tarihini ve evrendeki yaşam potansiyelini anlamaya çalışıyor. "Bu sistemleri incelemek, yalnızca yaşamın nerede var olabileceğini değil, aynı zamanda yaşamın ne olabileceğini de anlamamıza yardımcı oluyor."

Mikroorganizmaların kaya kayıtlarında geride bıraktığı fosiller belirsiz veya atfedilmesi zor olabileceğinden, Dünya üzerindeki erken dönem yaşamına ilişkin ayrıntılar belirsizdir. Ancak atmosferdeki nitrojen sabitlendiğinde, bilim adamlarının anlayabileceği şekilde biraz değişiyor. Diazotrof içindeki nitrojen atomlarının izotop imzası değiştirilir. Zamanla mikroorganizmalar öldükçe bu değiştirilmiş nitrojen kayalara karışır. Tortular Dünya'nın çağları boyunca serilir, gömülür, sıkıştırılır, aşınır ve çalkalanır. Ancak milyarlarca yıl sonra bile bilim insanları, antik diazotrofların jeolojik kayıtlarda bıraktığı N-izotop biyo-imzasını hâlâ tespit edebiliyor.

Bilim insanları, N-izotop kayıtlarına bakarak nitrojenaz enzimlerinin ilk ne zaman ortaya çıktığını tahmin edebilirler.

Geçmişte N-izotopların biyoimza olarak kullanılmasının doğruluğuna ilişkin sorular gündeme gelmişti. Yaşamın kendisi gibi enzimler de zamanla gelişir. Dünyadaki çevresel koşullar değiştikçe, buna yanıt olarak enzimler moleküler düzeyde değişir. Orijinal nitrojenaz muhtemelen şu anda organizmalarda gördüğümüz versiyondan daha küçük ve daha az karmaşıktı. Bu, antik nitrojenaz enzimlerinin geride bıraktığı N-izotop imzalarının bugün gördüklerimizden farklı olabileceği anlamına geliyor.

N-izotopların gerçekten güçlü bir biyoimza olarak kullanılıp kullanılamayacağı sorusunu çözmek için ekip, enzimin olası eski versiyonlarını yeniden canlandırmak için sentetik biyoloji tekniklerini kullandı. Modern nitrojenazın tersine mühendisliğini yaptılar ve enzimin uzun zaman önce var olabilecek daha basit versiyonlarını ortaya çıkarmak için evrimin katmanlarını soydular.

Daha sonra enzimin eski versiyonlarının davranışları, canlı mikroplara eklendiğinde gözlemlendi. Buldukları şey, N-izotop imzalarının milyarlarca yıldır aynı kaldığıydı. Sonuçlar, dünyanın en eski kayalarındaki nitrojen sabitlenmesinin izotopik imzalarının gerçekten de erken yaşamın aktivitesini yansıttığını kanıtlıyor.

Kaçar Laboratuvarı'nda doktora adayı ve makalenin baş yazarı Holly Rucker, "Zamanda geriye doğru gidildiğinde, bu antik nitrojenazların DNA dizilerinin modern nitrojenazlardan çok farklı olduğunu görürsünüz" dedi. "Enzim yapısının yaşla birlikte değiştiğini de görüyoruz. Ancak bu dizi ve yapı seviyesi farklılıklarına rağmen, bu antik enzimlerin hala modern torunlarıyla aynı kimyayı yaptığını bulduk."

Ekip tarafından oluşturulan sentetik gen koleksiyonu aynı zamanda iki milyar yıllık evrim tarihi boyunca var olan nitrojenazın farklı versiyonlarını da temsil ediyor. Bu, nitrojenazın zaman içinde nasıl değiştiği ve eski nitrojen sabitleyicilerin neye benzediği hakkındaki bilgi boşluklarının doldurulmasına yardımcı oldu.

Rucker, "Bu araştırma, nitrojenazın (ve onunla ilişkili N-izotop imzasının) hem enzim dizisi düzeyinde hem de gezegensel çevre düzeyinde ne kadar güçlü değişeceğini ortaya koyuyor" diye açıklıyor. "Ata nitrojenazların milyarlarca yıllık moleküler müdahaleler boyunca ve Dünya'nın ortamındaki ciddi değişiklikler karşısında aynı izotop imzasını üretmesi gerçeği, N-izotopların bir biyolojik imza olarak potansiyelini gerçekten vurguluyor. Bu çalışmanın bir diğer önemli yönü, Dünya'daki kaya kayıtlarındaki en eski nitrojenaz imzalarına ilişkin yorumumuzun daha fazla doğrulanmasını sağlamasıdır; bu, nitrojen fiksasyonu gibi kritik metabolizmaların Dünya'da ortaya çıktığı zamanın zamanlamasını anlamak için önemlidir."

Nitrojen fiksasyonu Dünya'daki biyolojinin çok önemli bir parçası olduğundan, araştırma aynı zamanda gezegenimizin ötesinde yaşam arayışına dair ipuçları da sağlayabilir.

Kaçar, "Dünyanın ötesindeki yaşamı tanımak istiyorsak, kendimizi bugün bildiğimiz yaşamla sınırlandıramayız" dedi.

Artık bilim insanları N-izotopların Dünya'daki antik yaşamın biyolojik imzası olarak kullanımını doğruladığına göre, aynı teknik potansiyel olarak diğer kayalık dünyalarda da kullanılabilir.

Kaçar, "Azot izotopları gibi doğrulanmış biyolojik imzalar bize gezegensel keşifler ve kayıp biyolojik geçmişlere erişim için güçlü bir araç sağlıyor" dedi. "Mars'ta veya diğer kayalık dünyalarda benzer sinyaller bulunursa, bunlar bir zamanlar yaşamı çok farklı koşullar altında destekleyen eski metabolizmalara işaret edebilir. Bu sistemleri incelemek, yalnızca yaşamın nerede var olabileceğini değil, aynı zamanda yaşamın ne olabileceğini de anlamamıza yardımcı oluyor."

NASA'daki astrobiyoloji hakkında daha fazla bilgi için şu adresi ziyaret edin:

https://science.nasa.gov/astrobiology

-son-

Karen Fox / Molly Wasser
Genel merkez, Washington
202-358-1600
[email protected] / [email protected]