חוקרים מאוניברסיטת ויסקונסין–מדיסון שיחזרו אנזים קדום לקיבוע חנקן והחדירו אותו למיקרובים בני ימינו. כך הם בדקו אם חתימות כימיות בסלעים עתיקים אכן משמרות סימני חיים אמינים – ומה זה אומר גם על החיפוש אחר חיים בעולמות אחרים
האם אפשר ללמוד על ראשית החיים לא רק מסלעים ומאובנים, אלא גם על-ידי “החייאה” של מולקולות קדומות? מחקר חדש במימון נאס״א מציע בדיוק את זה: צוות מאוניברסיטת ויסקונסין–מדיסון הצליח לשחזר באופן חישובי ולסנתז גרסה קדומה של ניטרוגנאז (nitrogenase) – אנזים שמאפשר לתאים לקבע חנקן מהאטמוספרה ולהפוך אותו לצורה זמינה לבניית מולקולות חיים חיוניות.
את המחקר הובילו פרופ' בטול קאצ׳ר (Betül Kaçar) מהמחלקה לבקטריולוגיה ודוקטורנטית במעבדתה הולי ראקר(Holly Rucker) . הן בחרו להתמקד בניטרוגנאז משום שהוא “קובע את הטון” של החיים על פני כדור הארץ: על אף שחנקן הוא המרכיב העיקרי באטמוספרה שלנו, רוב היצורים אינם יכולים להשתמש בו ישירות. הניטרוגנאז הוא אחד המנגנונים שמגשרים על הפער הזה, ומייצרים תרכובות חנקן שמאפשרות בניית DNA , חלבונים ורכיבים ביולוגיים נוספים.
לא רק אבנים – גם ביולוגיה סינתטית
במשך עשרות שנים חוקרי ראשית החיים נשענו בעיקר על ממצאים של סלעים עתיקים וממצאים גיאולוגיים. הבעיה היא שהדגימות הטובות באמת נדירות, והפרשנות שלהן אינה תמיד חד־משמעית. כאן נכנסת לתמונה גישה מעולם הביולוגיה הסינתטית: החוקרים “הלכו לאחור” מאנזימים מודרניים, ושחזרו רצפים שהיו יכולים להתקיים לפני מיליארדי שנים. את הגרסה המשוחזרת הם החדירו לתוך מיקרובים בני ימינו ובדקו כיצד היא מתפקדת בסביבה תאית חיה.
ראקר מזכירה כי לפני מיליארדי שנים כדור הארץ היה שונה מאוד: עוד לפני “אירוע החמצון הגדול” (Great Oxidation Event) האטמוספרה כללה יותר פחמן דו־חמצני ומתאן, וחלק גדול מהחיים היו מיקרובים אל־אווירניים.
מבחן חשוב ל”חתימות חיים” בסלעים
אנזימים עצמם אינם מתאבנים, אבל פעילותם יכולה להשאיר טביעות אצבע כימיות. במקרה של ניטרוגנאז, תהליך קיבוע החנקן מייצר דפוסים איזוטופיים ייחודיים של חנקן, שיכולים להישמר בסלעים עתיקים. במשך שנים הניחו חוקרים שהניטרוגנאז הקדום יצר אותם דפוסים איזוטופיים כמו הניטרוגנאז המודרני – אבל זו הייתה הנחה שלא נבדקה בניסוי.
כאן מגיעה נקודת המפתח של המחקר: כאשר הצוות בחן את הניטרוגנאז המשוחזר (שלפי ההערכה מייצג מצב מלפני כ־3.2 מיליארד שנה) בתוך מערכת חיה, התברר שה”חתימה” האיזוטופית נשמרה. כלומר, גם אם רצף ה־DNA של האנזים השתנה לאורך האבולוציה, המנגנון שמוליד את האות האיזוטופי נשאר יציב במשך מיליארדי שנים.
המשמעות היא כפולה:
- אפשר לסמוך יותר על פירוש עדויות גיאולוגיות עתיקות לקיבוע חנקן.
- האות הזה הופך לביוסיגנָטורה (biosignature) אמינה יותר – סימן שמרמז על פעילות ביולוגית.
למה זה חשוב גם לאסטרוביולוגיה
המחקר קשור לעבודתה הרחבה של קאצ׳ר כראש קונסורציום מחקר אסטרוביולוגי במימון נאס״א בשם MUSE. הרעיון פשוט: כדי לזהות חיים במקום אחר, צריך קודם להבין אילו סימנים ביולוגיים נשמרים היטב אצלנו, ואילו יכולים להטעות. אם חתימות איזוטופיות שמקורן בניטרוגנאז הן יציבות לאורך זמן גיאולוגי בכדור הארץ, ייתכן שהן יכולות לשמש מסגרת חשיבה כשמחפשים סימנים דומים בממצאים פלנטריים אחרים.
למאמר המדעי:
DOI: 10.1038/s41467-025-67423-y
עוד בנושא באתר הידען:
