Геологи обнаружили, что в осадочных горных породах возрастом около 3,2 миллиарда лет резко изменилось соотношение изотопов азота, оно стало подобным современному, связанному с биологическими процессами.
Бетюль Качар с коллегами из Университета Висконсина в Мэдисоне (UW-Madison) изучили вопрос как древние азотфиксирующие бактерии осуществляли древнейшее биологическое использование атмосферного азота. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Вообще-то, генетическая последовательность и функциональные возможности азотфиксирующего фермента менялись на протяжении времени. Бетюль Качар с коллегами изучили вопрос о том, может ли современная химия вводить в заблуждение, то есть могли ли древние ферменты оставлять тот же изотопный след, что и современные. Они не стали ждать открытий редких ископаемых, а создали древние гены с нуля и внедрили их в современную бактерию. Этот подход использует синтетическую биологию, создавая и переписывая гены, чтобы наделить клетки новыми функциями, воссоздать белки, которых больше не существует.
Был выбран микроорганизм Azotobacter vinelandii, потому что он уже способен фиксировать азот и лучше переносит кислород, чем многие другие виды. Заменив собственные ферментные компоненты на реконструированные, бактерии были вынуждены полагаться на эти древние инструкции для своего роста.
После того как генетически модифицированные микроорганизмы фиксировали азот, было измерено, сколько тяжелого азота оказалось в клеточном материале. Оказалось ферменты, разделенные более чем двумя миллиардами лет эволюции, на изотопы азота реагировали одинаково. Хотя восстановленные ферменты вели себя не совсем так, как современные, микробы по-прежнему выживали, питаясь исключительно азотом.
В лабораторных тестах некоторые древние версии демонстрировали более низкую скорость реакции, что показало, что белковый механизм изменился, сохранив при этом основные химические свойства. Однако изотопный состав оставался привязанным к одному и тому же этапу реакции, мутации не изменяли его.