Einem Team der University of Wisconsin-Madison ist es gelungen, ein 3,2 Milliarden Jahre altes Enzym zu rekonstruieren und so eine direkte biochemische Verbindung zum Leben herzustellen, bevor Sauerstoff die Erdatmosphäre dominierte. Dieser Durchbruch beleuchtet nicht nur die Bedingungen, unter denen frühes Leben gedieh, sondern schafft auch einen robusten chemischen Marker für die Erkennung potenziellen Lebens auf anderen Planeten.
Das Urenzym: Nitrogenase
Die von Professor Betül Kaçar geleitete Forschung konzentrierte sich auf Nitrogenase, ein Enzym, das für die Umwandlung von Luftstickstoff in eine für Organismen nutzbare Form unerlässlich ist. Ohne Nitrogenase würde das Leben, wie wir es kennen, nicht existieren. Die Funktion dieses Enzyms ist so grundlegend, dass seine Rekonstruktion einen einzigartigen Einblick in die frühesten biologischen Prozesse der Erde bietet.
Überbrückung der fossilen Lücke mit synthetischer Biologie
Traditionell stützte sich das Verständnis des antiken Lebens auf knappe geologische Aufzeichnungen – Fossilien und Gesteinsproben, die oft schwer zu beschaffen sind. Kaçars Team nutzte die synthetische Biologie, um diese Einschränkung zu überwinden. Durch die Nachbildung alter Enzyme und deren Einführung in moderne Mikroben können sie diese Relikte der Vergangenheit in einer kontrollierten Laborumgebung untersuchen. Dieser Ansatz füllt effektiv Lücken im Fossilienbestand und bietet greifbare Rekonstruktionen des Lebens vor Milliarden von Jahren.
Leben vor Sauerstoff: Ein schärferes Bild
Vor drei Milliarden Jahren war die Erdatmosphäre völlig anders – reich an Kohlendioxid und Methan und dominiert von anaeroben Mikroben. Um zu verstehen, wie das Leben vor dem „Großen Oxidationsereignis“ bestand, das den Planeten grundlegend veränderte, ist es wichtig zu verstehen, wie diese Organismen auf wichtige Nährstoffe wie Stickstoff gelangten.
Die Forschung des Teams bestätigt, dass alte Nitrogenase-Enzyme dieselben Isotopensignaturen erzeugen wie moderne Versionen, was bedeutet, dass die Art und Weise, wie dieses Enzym mit seiner Umgebung interagiert, über Milliarden von Jahren hinweg gleich geblieben ist. Diese Konsistenz ist von entscheidender Bedeutung, da Isotopensignaturen in Gesteinen oft verwendet werden, um auf die Anwesenheit von Leben in der Antike zu schließen.
Implikationen für die Astrobiologie
Professor Kaçar betont, dass das Verständnis der Vergangenheit der Erde für die Suche nach Leben außerhalb unseres Planeten von entscheidender Bedeutung ist. „Die Suche nach Leben beginnt hier zu Hause, und unser Zuhause ist 4 Milliarden Jahre alt“, erklärte sie. Durch die Rekonstruktion alter Enzyme gewinnen Wissenschaftler ein tieferes Verständnis der biochemischen Fingerabdrücke, die das Leben hinterlässt, und erhöhen so die Wahrscheinlichkeit, Spuren von Leben auf anderen Welten zu identifizieren.
„Wir müssen das Leben vor uns verstehen, wenn wir das Leben vor uns und das Leben anderswo verstehen wollen.“
Diese Forschung stellt ein leistungsstarkes Werkzeug für Astrobiologen dar und bietet einen zuverlässigen Marker zur Identifizierung von Leben in Umgebungen, die sich grundlegend von unserer eigenen unterscheiden. Die Ergebnisse der Studie wurden in Nature Communications veröffentlicht.
Letztendlich zeigt diese Arbeit den Wert der synthetischen Biologie bei der Erschließung von Geheimnissen der tiefen Vergangenheit. Durch die physische Nachbildung alter Moleküle können Wissenschaftler Annahmen überprüfen, Wissenslücken schließen und Methoden zur Entdeckung von Leben verfeinern – sowohl auf der Erde als auch darüber hinaus.
