Wie kann man wissen, wie das Leben auf der Erde vor mehr als drei Milliarden Jahren aussah, wenn Gesteine aus dieser Zeit so selten und schwer zugänglich sind? Um diese Frage zu beantworten, haben Forscher eine originelle Methode gewählt, indem sie ein urzeitliches Enzym wieder zum Leben erweckten. Dieser Ansatz eröffnet ein neues Fenster in unsere ferne Vergangenheit und in die Suche nach Leben jenseits unseres Planeten.
Ein Team der University of Wisconsin-Madison nutzte die Synthetische Biologie, um eine wahrscheinliche Version eines 3,2 Milliarden Jahre alten Enzyms zu rekonstruieren. Ausgehend von modernen Enzymen reisten sie in der molekularen Zeit zurück, um eine alte DNA zu rekonstruieren, diese in heutige Mikroben einzuschleusen, welche anschließend das urzeitliche Enzym produzierten.
Betül Kaçar, Professorin für Bakteriologie, hält eine Petrischale mit stickstofffixierenden Mikroben. Sie ist eine Pionierin der molekularen Paläobiologie.
Bildnachweis: Jeff Miller/UW-Madison Das betreffende Enzym, die Nitrogenase, spielt eine grundlegende Rolle für das Leben. Nach Ansicht der Wissenschaftler würden die uns bekannten Lebensformen ohne sie wahrscheinlich nicht existieren. Sie wandelt Stickstoff aus der Atmosphäre in für Zellen nutzbare Verbindungen um und ermöglicht so die Bildung von DNA und Proteinen. Diese Funktion war vor Milliarden von Jahren ebenso lebenswichtig, als die Erde völlig anders war, mit einer Atmosphäre reich an Kohlendioxid und Methan.
Enzyme versteinern nicht, aber ihre Aktivität kann chemische Spuren in alten Gesteinen hinterlassen. Bei der Nitrogenase erzeugt der Prozess der Stickstofffixierung charakteristische isotopische Muster. Geologen nutzen diese Signaturen, um Anzeichen vergangenen Lebens zu entdecken. Doch eine Frage blieb bestehen: Waren diese Signaturen vor Milliarden von Jahren die gleichen wie heute? Die aktuelle Studie liefert eine Antwort.
Die Tests an dem rekonstruierten alten Enzym zeigten, dass seine isotopische Signatur trotz Veränderungen in seiner DNA-Sequenz identisch mit der moderner Versionen bleibt. Diese unerwartete Stabilität bedeutet, dass die chemischen Spuren in irdischen Gesteinen zuverlässig sind, um die Aktivität der Nitrogenase in der Vergangenheit zu identifizieren. Folglich stärkt dies das Vertrauen in die Interpretation geologischer Aufzeichnungen.
Diese Arbeit hat Bedeutung für die Suche nach außerirdischem Leben. Das Team ist Teil des von der NASA unterstützten MUSE-Konsortiums, das darauf abzielt, Weltraummissionen durch ein besseres Verständnis der mikrobiellen Evolution zu verbessern. Indem sie bestätigen, dass die mit der Nitrogenase verbundenen Isotope auf der Erde eine zuverlässige Biosignatur sind, bieten sie einen Rahmen zur Bewertung ähnlicher Signale auf anderen Planeten.
Die in
Nature Communications veröffentlichten Ergebnisse ebnen den Weg für neue Erkundungen, sowohl auf unserem Planeten als auch im Kosmos.
Synthetische Biologie: Eine Zeitmaschine für Moleküle
Die Synthetische Biologie ist eine Disziplin, die Ingenieurwesen und Biologie kombiniert, um biologische Systeme zu entwerfen oder zu verändern. In dieser Studie ermöglicht sie die Rekonstruktion alter Enzyme ausgehend von modernen Versionen. Die Forscher analysieren aktuelle DNA-Sequenzen, um daraus wahrscheinliche vergangene Formen abzuleiten, ähnlich wie man die Entwicklung einer Sprache nachzeichnet.
Diese Rekonstruktion erfolgt im Labor mit gentechnischen Methoden. Die Wissenschaftler synthetisieren die DNA, die dem alten Enzym entspricht, und führen sie dann in lebende Mikroben ein. Diese produzieren daraufhin das Enzym, was es ermöglicht, seine Eigenschaften und Funktion in einer kontrollierten Umgebung zu studieren.
Dieser Ansatz bietet einen großen Vorteil: Er ermöglicht es, Hypothesen über die Vergangenheit direkt zu testen, ohne sich allein auf Fossilien oder fragmentarische Gesteine zu verlassen. Durch die Beobachtung, wie diese Enzyme mit ihrer Umgebung interagieren, kann man die Bedingungen der Urerde und die Evolution biologischer Mechanismen besser verstehen.
Quelle: Nature Communications