Computers simuleren de voorouderlijke versies van het meest voorkomende eiwit op aarde, geeft wetenschappers een ongeëvenaarde kijk op de vroege ontwikkeling van het gebruik van energie van de zon en de productie van zuurstof.

Deze bevindingen kunnen licht werpen op de evolutie van buitenaards leven elders in het heelal, aldus onderzoekers. Ze hebben onlangs hun bevindingen gedetailleerd beschreven in de online versie van het tijdschrift Geobiologie .

Fotosynthese, die energie uit zonlicht gebruikt om suikers en andere op koolstof gebaseerde organische moleculen te maken uit koolstofdioxidegas, heeft een belangrijke rol gespeeld in de geschiedenis van de aarde. Fotosynthese ondersteunt het bestaan ​​van planten en andere fotosynthetische organismen in de landen en zeeën van de aarde, die op zijn beurt complexe webben van dierlijk en ander leven in stand houdt. Het genereert ook het zuurstofgas dat het gezicht van de planeet chemisch heeft veranderd.

Hoewel zuurstof momenteel ongeveer een vijfde van de atmosfeer van de aarde uitmaakt, heel vroeg in de geschiedenis van de planeet, zuurstof was zeldzaam. "Onze planeet heeft voor een groot deel van zijn geschiedenis, leek op een geheel vreemde plaats, " zei Betül Kacar, een evolutionair bioloog en astrobioloog aan de Harvard University.

De eerste keer dat het element de atmosfeer van de aarde voor een groot deel doordrong, was ongeveer 2,5 miljard jaar geleden in wat de Grote Oxidatie-gebeurtenis wordt genoemd. Voorafgaand onderzoek suggereert dat deze sprong in zuurstofniveaus vrijwel zeker te wijten was aan cyanobacteriën - microben die, zoals planten, fotosynthetiseren en zuurstof produceren.

Bestuderen van hoe het leven evolueerde in de buitenaardse omstandigheden van het diepe verleden van de aarde, kan licht werpen op "omstandigheden die beter kunnen aansluiten bij de temperatuur of atmosferische samenstellingen van een grote verscheidenheid aan planeten buiten ons zonnestelsel, " zei Kacar. Met andere woorden, onderzoek naar het vroege leven op aarde zou ons kunnen helpen om mogelijk buitenaards leven op verre exoplaneten te begrijpen.

De eerste grote stap van fotosynthese wordt geactiveerd door een enzym dat bekend staat als Rubisco. Eerder onderzoek suggereerde dat Rubisco waarschijnlijk het meest voorkomende eiwit op aarde is.

"Het is de taak van Rubisco om koolstofdioxide uit de omgeving op te nemen, zodat het kan worden omgezet in biologische materie, ' zei Kacar.

Er bestaan ​​vele versies van Rubisco over een breed scala van organismen, van planten tot bacteriën. Veel blijft onzeker over wanneer Rubisco evolueerde en hoe het zich in de loop van de tijd heeft gediversifieerd vanwege het magere fossielenbestand van het vroege leven op aarde. Meer leren over de evolutie van Rubisco zou licht kunnen werpen op hoe vroege fotosynthese eruit zag en welke veranderingen het op aarde teweegbracht. Dergelijke bevindingen kunnen inzicht geven in de effecten van buitenaardse versies van fotosynthese op verre planeten.

Om de Rubisco-stamboom te achterhalen, Kacar en haar collega's gebruikten computermodellen om de moleculaire structuren van verschillende versies van Rubisco te analyseren. Het vergelijken en contrasteren van verschillende versies van Rubisco kan licht werpen op hoe nauw of ver verwant al deze eiwitten aan elkaar kunnen zijn.

Dit werk hielp de wetenschappers de mogelijke structuren af ​​te leiden van oude leden van de Rubisco-stamboom. De wetenschappers brachten deze voorouderlijke eiwitten vervolgens tot leven op de computer om te zien hoe deze structuren zich ooit hebben gedragen.

Er zijn vier grote groepen, of vormen van Rubisco en Rubisco-achtige eiwitten. De wetenschappers richtten zich op zogenaamde Form I- en Form III-groepen. Vorm I-eiwitten zijn geassocieerd met oxia, of met zuurstof beladen lucht, en omvatten de vormen van Rubisco die tegenwoordig dominant zijn. Vorm III-enzymen worden geassocieerd met anoxie, of een gebrek aan zuurstof, en eerder onderzoek suggereerde dat ze mogelijk de voorouders zijn van alle andere Rubisco-groepen.

De nieuwe bevindingen suggereren dat Rubisco blijkbaar veel veranderingen heeft ondergaan tijdens de divergentie tussen Form I- en Form III-types van Rubisco. Dit suggereert dat zuurstof, die giftig was voor het vroege leven op aarde, spoorde deze veranderingen aan. de onderzoekers suggereren dat sommige vormen van Rubisco zich aanpasten aan de aanwezigheid van de zuurstof die het indirect hielp genereren. Deze vormen van Rubisco zijn ontwikkeld om zuurstof niet te verwarren met koolstofdioxide.

"Kooldioxide en zuurstof zijn ongeveer even groot en hebben vergelijkbare chemische eigenschappen, zodat Rubisco de twee moleculen kan verwarren, "Zei Kacar. "Als Rubisco zuurstof opneemt in plaats van kooldioxide, het is niet mogelijk om biomassa te maken omdat er geen koolstof in zuurstof zit."

uiteindelijk, de onderzoekers willen microben maken die voorouderlijke versies van Rubisco bezitten. Ze kunnen dan de chemische eigenschappen van dergelijke microben vergelijken met de chemische samenstellingen van oude gesteenten om meer te weten te komen over welke gebeurtenissen zich in de vroege aarde hebben voorgedaan, zei Kacar.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NASA's Astrobiology Magazine. Verken de aarde en daarbuiten op www.astrobio.net.