Dette enzym gjorde det muligt for livet at erobre en fjendtlig jord

Computere simulerer de forfædres versioner af det mest almindelige protein på Jorden, giver videnskabsmænd et uovertruffent blik på det tidlige livs udvikling med at udnytte energi fra Solen og produktion af ilt.

Disse resultater kan kaste lys over udviklingen af ​​fremmede liv andre steder i universet, sagde forskere. De har for nylig beskrevet deres resultater i onlineversionen af ​​tidsskriftet Geobiologi .

Fotosyntese, som bruger energi fra sollys til at skabe sukker og andre kulstofbaserede organiske molekyler fra kuldioxidgas, har spillet en stor rolle i Jordens historie. Fotosyntese understøtter eksistensen af ​​planter og andre fotosyntetiske organismer på tværs af Jordens lande og have, som igen opretholder komplekse net af dyr og andet liv. Det genererer også den iltgas, der kemisk har ændret planetens overflade.

Selvom ilt i øjeblikket udgør omkring en femtedel af jordens atmosfære, meget tidligt i planetens historie, ilt var sjældent. "Vores planet har, i meget af sin historie, lignede et helt fremmed sted, " sagde Betül Kacar, en evolutionsbiolog og astrobiolog ved Harvard University.

Første gang, grundstoffet i høj grad gennemstrømmede Jordens atmosfære, var for omkring 2,5 milliarder år siden i det, der kaldes den store oxidationsbegivenhed. Tidligere forskning tyder på, at dette spring i iltniveauer næsten helt sikkert skyldtes cyanobakterier - mikrober, som planter, fotosyntetisere og producere ilt.

At studere, hvordan liv udviklede sig under de fremmede forhold i Jordens dybe fortid, kan kaste lys over "forhold, der kan være tættere på linje med temperaturen eller den atmosfæriske sammensætning af en lang række planeter uden for vores solsystem, " sagde Kacar. Med andre ord, forskning i tidligt liv på Jorden kunne hjælpe os med at forstå muligt fremmed liv på fjerne exoplaneter.

Det første store trin i fotosyntesen udløses af et enzym kendt som Rubisco. Tidligere forskning antydede, at Rubisco sandsynligvis er det mest udbredte protein på Jorden.

"Rubiscos opgave er at optage kuldioxid fra miljøet, så det kan omdannes til biologisk stof, " sagde Kacar.

Mange versioner af Rubisco findes på tværs af en bred vifte af organismer, fra planter til bakterier. Meget er stadig usikkert om, hvornår Rubisco udviklede sig, og hvordan den diversificerede sig over tid på grund af den sparsomme fossile historie om tidligt liv på Jorden. At lære mere om udviklingen af ​​Rubisco kunne kaste lys over, hvordan tidlig fotosyntese var, og hvilke ændringer den udløste på Jorden. Sådanne fund kunne give indsigt i, hvilke effekter fremmede versioner af fotosyntese kan have på fjerne planeter.

For at finde ud af Rubisco-slægtstræet, Kacar og hendes kolleger brugte computermodeller til at analysere de molekylære strukturer af forskellige versioner af Rubisco. Sammenligning og kontrast af forskellige versioner af Rubisco kan kaste lys over, hvor tæt eller fjernt beslægtede alle disse proteiner kan være med hinanden.

Dette arbejde hjalp forskerne med at udlede de mulige strukturer af gamle medlemmer af Rubisco-slægtstræet. Forskerne genoplivede derefter disse forfædres proteiner på computeren for at se, hvordan disse strukturer engang kunne have opført sig.

Der er fire hovedgrupper, eller former for Rubisco og Rubisco-lignende proteiner. Forskerne fokuserede på såkaldte Form I- og Form III-grupper. Form I-proteiner er forbundet med oxia, eller iltfyldt luft, og omfatter de former for Rubisco, der er dominerende i dag. Form III-enzymer er forbundet med anoxi, eller mangel på ilt, og tidligere forskning antydede, at de kan være forfædre til alle de andre Rubisco-grupper.

De nye resultater tyder på, at Rubisco tilsyneladende undergik en stor forandring under divergensen mellem Form I og Form III typer af Rubisco. Dette tyder på, at ilt, som var giftig for tidligt liv på Jorden, ansporede disse ændringer. Specifikt, forskerne foreslår, at nogle former for Rubisco tilpassede sig tilstedeværelsen af ​​den ilt, den indirekte hjalp med at generere. Disse former for Rubisco udviklede sig for ikke at forveksle ilt med kuldioxid.

"Culdioxid og oxygen er omtrent lige store og har lignende kemiske egenskaber, så Rubisco kan forveksle de to molekyler, " sagde Kacar. "Når Rubisco optager ilt i stedet for kuldioxid, det er ikke muligt at lave biomasse, fordi der ikke er kulstof i ilt."

Ultimativt, forskerne ønsker at skabe mikrober, der besidder forfædres versioner af Rubisco. De kan derefter sammenligne sådanne mikrobers kemiske egenskaber med de kemiske sammensætninger af gamle klipper for at lære mere om, hvilke begivenheder der kunne have fundet sted i den tidlige Jord, sagde Kacar.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NASAs Astrobiology Magazine. Udforsk Jorden og videre på www.astrobio.net.