研究人员重构了一种关键酶的早已灭绝的版本，该酶有助于将氮转化为生命可利用的形式，从而让我们得以前所未有地窥探地球遥远的过去。这一突破有望助力搜寻地外生命，同时帮助科学家应对地球及太空未来的粮食生产挑战。
“所有生物都需要氮才能生存，虽然它无处不在，但我们无法直接利用它，”犹他州立大学生化学家兰斯·西费尔特说。“被称为固氮酶的酶促成了固氮作用，将氮转化为植物、动物、人类和其他生命形式可以利用的形式。我们才刚刚开始了解，在地球40亿年的历史长河中，这些固氮酶究竟进化到了何种程度。”
在发表于《自然-通讯》的一项研究中，西费尔特、犹他州立大学资深科学家德里克·哈里斯，以及威斯康星大学麦迪逊分校美国国家航空航天局（NASA）资助的“跨越地质年代的金属利用与选择”（MUSE）项目的合作者们，利用合成生物学从现代固氮酶逆向推导，重建了这些酶可能的祖先版本。
重建古老固氮酶
“我们在本研究中的任务是对合成重建的祖先固氮酶基因文库进行表征，”哈里斯说。“在受控的实验室条件下，我们测量了工程菌株细胞生物量中的氮同位素分馏情况。”
这项研究使科学家能够探究古老的固氮酶在数十亿年前是如何发挥作用的。
西费尔特现任犹他州立大学化学与生物化学系教授兼系主任，他花费了30多年时间研究固氮酶的结构与功能。他表示，重建这些酶的古老形式的能力，标志着在理解地球乃至其他潜在星球生命起源的努力中取得了重要进展。
“迄今为止，科学界一直依赖古老岩石和化石来研究早期生命，”他说。“几十亿年前，我们的星球与现在截然不同。现代微生物通过固氮酶获取大气中的氮源，而固氮酶只是酶家族中的一员。对‘化石酶’的研究假设古代酶产生的同位素特征与现代酶相同。”
关于早期地球的新线索
据西费尔特介绍，重构的固氮酶提供了一种新途径，用于探究在遥远的过去，地球及其大气层的状况可能是什么样子。
“理解固氮酶——无论是古老的还是现代的——对于帮助我们应对不断变化的气候下的当前农业挑战至关重要，包括那些因干旱和缺乏商业化肥而面临饥荒风险的地区，”他说。
这些发现可能还具有地球之外的实际应用价值。曾参与其他NASA资助项目的西费尔特表示，这项工作有助于确定如何在太空和火星上种植食物的持续努力。
对寻找地外生命的启示
威斯康星大学麦迪逊分校细菌学教授、MUSE项目负责人兼该研究通讯作者贝蒂尔·卡查尔表示，研究结果为生命在依赖氧气的生物改造地球之前是如何生存和进化的提供了更清晰的视角。
“寻找生命始于我们的家园，而我们的家园已有40亿年的历史，”她说。“因此，我们需要了解自己的过去。如果我们想要理解未来的生命以及别处的生命，就需要了解先于我们的生命。”