دانشمندان آنزیمی ۳.۲ میلیارد ساله را احیا کردند تا منشأ تثبیت نیتروژن حیات را کشف کنند

زمین در ۳.۲ میلیارد سال پیش، دنیایی متخاصم و بدون اکسیژن بود، با این حال حیات میکروبی توانست رشد کند و پایه و اساس کل زیست‌کره را بگذارد. جو زمین مملو از دی‌اکسید کربن و متان بود و محیطی را ایجاد می‌کرد که برای اکثر موجودات مدرن سمی است. با وجود این شرایط سخت، موجودات تک‌سلولی اولیه راهی برای استخراج مواد مغذی ضروری مورد نیاز برای ساخت مولکول‌های پیچیده حیات پیدا کردند.[2][3]

راز بقای اولیه، نیتروژن بود. در حالی که گاز نیتروژن بخش عمده‌ای از جو زمین را تشکیل می‌دهد، پیوند شیمیایی سه‌گانه آن باعث می‌شود که در شکل خام خود فوق‌العاده پایدار و از نظر بیولوژیکی غیرقابل دسترس باشد. برای ساخت DNA، RNA و پروتئین‌ها، حیات به نیتروژن «تثبیت‌شده»، عمدتاً به شکل آمونیاک، نیاز دارد.[4]

تنها مکانیسم بیولوژیکی شناخته شده برای دستیابی به این شاهکار شیمیایی عظیم، آنزیمی به نام نیتروژناز (Nitrogenase) است. این ماشین مولکولی پیچیده مسئول شکستن پیوند سه‌گانه نیتروژن جوی است، فرآیندی که به انرژی سلولی بسیار زیاد و شرایط شیمیایی دقیق نیاز دارد.[1][5]

از آنجایی که پروتئین‌ها و آنزیم‌های ظریف فسیل نمی‌شوند، دانشمندان از لحاظ تاریخی برای ردیابی تاریخچه حیات اولیه، به شواهد زمین‌شناسی غیرمستقیم متکی بوده‌اند. به طور خاص، زمین‌زیست‌شناسان به دنبال نشانگرهای ایزوتوپی – نسبت‌های متمایز ایزوتوپ‌های سنگین و سبک نیتروژن – هستند که در سازندهای سنگی باستانی حفظ شده‌اند تا مشخص کنند چه زمانی تثبیت بیولوژیکی نیتروژن آغاز شده است.[2][6]

با این حال، این رویکرد استاندارد زمین‌شناسی یک فرض بزرگ و آزمایش‌نشده را به همراه داشت: اینکه آنزیم‌های نیتروژناز فعال در ۳.۲ میلیارد سال پیش، دقیقاً همان الگوهای تفکیک ایزوتوپی را تولید می‌کردند که آنزیم‌های مدرن امروزی در آزمایشگاه‌ها مطالعه می‌کنیم.[4][6]

برای آزمایش این فرض بنیادی، کنسرسیومی با بودجه ناسا به رهبری محققانی از دانشگاه ویسکانسین-مدیسون و دانشگاه ایالتی یوتا، یک پروژه بی‌سابقه زیست‌شناسی مصنوعی را آغاز کردند. هدف آنها این بود که به معنای واقعی کلمه، آنزیم باستانی را احیا کرده و شیمی آن را در زمان واقعی مشاهده کنند.[2][6]

تیم تحقیقاتی از تکنیکی به نام بازسازی توالی اجدادی استفاده کرد. آنها از مجموعه داده‌های تبارزایی عظیمی از صدها میکروب مدرن تثبیت‌کننده نیتروژن، معروف به دیازوتروف‌ها، استفاده کردند تا درخت خانواده تکاملی آنزیم را در طول زمان‌های عمیق به عقب ترسیم کنند.[1][3]

با اجرای این توالی‌های ژنتیکی از طریق مدل‌های پیشرفته یادگیری ماشینی، از جمله ابزار پیش‌بینی ساختار پروتئین آلفافولد (AlphaFold)، محققان توانستند کدهای ژنتیکی و ساختارهای سه‌بعدی ۴۶۰۸ آنزیم اجدادی را که میلیاردها سال تکامل را در بر می‌گرفتند، پیش‌بینی کنند.[1]

محققان با در دست داشتن توالی نظری یک نیتروژناز اجدادی ۳.۲ میلیارد ساله، DNA باستانی را سنتز کرده و آن را در ژنوم آزوتوباکتر وینلاندی (Azotobacter vinelandii)، یک باکتری مدرن و قابل دستکاری ژنتیکی که اغلب به عنوان ارگانیسم مدل استفاده می‌شود، پیوند زدند.[1][2]

نتایج این آزمایش قطعی و پیشگامانه بود: میکروب‌های مدرن با موفقیت از آنزیم باستانی احیا شده برای تثبیت نیتروژن و بقا در آزمایشگاه استفاده کردند و شکاف تکاملی سه میلیارد ساله را پر کردند.[2][5]

مهم‌تر از آن، هنگامی که تیم زیست‌توده سلولی میکروب‌های مهندسی‌شده را تجزیه و تحلیل کرد، دریافتند که آنزیم باستانی دقیقاً همان نشانگر ایزوتوپ نیتروژن را تولید می‌کند که نیتروژنازهای مدرن، با وجود داشتن توالی DNA کاملاً متفاوت.[1][6]

این یافته دهه‌ها تحقیق ژئوشیمیایی را تأیید می‌کند. این امر تأیید می‌کند که نشانگرهای ایزوتوپی یافت شده در قدیمی‌ترین سنگ‌های زمین، در واقع نشانگرهای زیستی قابل اعتماد حیات اولیه هستند، نه تصادفات شیمیایی غیرزیستی که توسط فرآیندهای زمین‌شناسی غیرزنده تولید شده‌اند.[3][4]

تجزیه و تحلیل ساختاری همچنین یک انعطاف‌پذیری تکاملی عمیق را نشان داد. در حالی که توالی DNA و ساختار بیرونی آنزیم در طول سه میلیارد سال به طور قابل توجهی تغییر کرده بود، مکانیسم کاتالیزوری هسته آن در طول اعصار به شدت حفظ شده بود.[1][3]

این حفظ ساختاری به ویژه قابل توجه است، با توجه به اینکه نیتروژناز به شدت به اکسیژن حساس است، که خوشه‌های فلزی ضروری آن را تخریب می‌کند. این آنزیم مجبور بود سازگار شود و از رویداد بزرگ اکسیژناسیون (Great Oxidation Event) در حدود ۲.۴ میلیارد سال پیش جان سالم به در ببرد و مکانیسم‌های حفاظتی جدیدی را بدون از دست دادن عملکرد اصلی خود تکامل دهد.[1][2]

برای اخترزیست‌شناسان، این نشانگر ایزوتوپی تأیید شده، یک هدف مشخص و قابل اعتماد را فراهم می‌کند. اگر مریخ‌نوردهای آینده یا مأموریت‌های بازگشت نمونه، این الگوی خاص تفکیک نیتروژن را در مریخ یا سایر سیارات سنگی فراخورشیدی تشخیص دهند، این به عنوان یک شاخص قوی برای فعالیت بیولوژیکی گذشته عمل خواهد کرد.[3][4]

فراتر از اکتشافات فضایی، درک محدودیت‌های ساختاری و تاریخچه تکاملی نیتروژناز، کاربردهای عملی و فوری برای کشاورزی مدرن و امنیت غذایی جهانی دارد.[6]

دانشمندان در حال حاضر در تلاشند تا قابلیت‌های تثبیت نیتروژن را در محصولات اصلی مانند گندم و ذرت مهندسی کنند. در صورت موفقیت، این امر وابستگی جهان به کودهای مصنوعی را به شدت کاهش می‌دهد، کودهایی که تولید آنها پرانرژی است و باعث آلودگی شدید محیط زیست می‌شوند.[4][6]

با مطالعه نحوه عملکرد نیتروژنازهای اجدادی در شرایط جوی کاملاً متفاوت، مهندسان زیستی ممکن است راه‌های جدیدی برای کارآمدتر، مدولارتر یا انعطاف‌پذیرتر کردن آنزیم‌های مدرن در برابر استرس‌های محیطی در یک اقلیم در حال تغییر کشف کنند.[1][6]

با وجود این پیشرفت عظیم، ابهامات شفافی در این تحقیق باقی مانده است. محیط آزمایشگاهی، اگرچه به دقت کنترل شده است، نمی‌تواند به طور کامل شیمی پیچیده، غنی از آهن و فاقد اکسیژن اقیانوس آرکئن (Archean) را که این آنزیم‌ها در آنجا تکامل یافته‌اند، بازسازی کند.[1][2]

علاوه بر این، محققان هنوز در مورد منشأ دقیق خود نیتروژناز بحث می‌کنند. شواهد نوظهور نشان می‌دهد که ممکن است از پروتئین‌های ماتوراز (maturase) غیرتثبیت‌کننده تکامل یافته باشد، که اولین جرقه تثبیت بیولوژیکی نیتروژن را به یک راز باز و وسوسه‌انگیز تبدیل می‌کند.[1]