Lämpöä rakastavat pieneliöt ja nitrogenaasi – miten elämä selviää "helvetistä"

Kuvittele, että yrität keittää kananmunaa, mutta valkuainen ei jähmetdykään. Tai päinvastoin: valkuainen alkaa kiinteytyä vasta sellaisessa kuumuudessa, joka haihduttaisi tavallisen munan. Mahdotonta? No, luonto on tehnyt jotain vastaavaa jo miljardeja vuosia. Tiede alkaa vasta ymmärtää miten.

Otus helvetistä

Max Planck -instituutin tutkijaryhmä on tutkinut Methanocaldococcus infernusta. Anna nimen painua hetkeksi mieleesi – infernus tarkoittaa helvettiä. Ja tämä pikku otus todella elää nimensä veroisesti. Se viihtyy tuliperäisten lähteiden reunoilla merenpohjassa, missä lämpötila ylittää veden kiehumispisteen. Spa-kokemuksesta ei ole kyse.

Mutta miten mikään voi selviytyä vedessä, joka on liian kuumaa kosketukseen? Vastaus piilee entsyymissä nimeltä nitrogenaasi.

Elintärkeä kemikaali

Nitrogenaasin tehtävä on hajottaa typpimolekyylien kolminkertainen sidos. Typpeä on ilmassa valtaosa, mutta kasvit ja eläimet eivät pysty käyttämään sitä suoraan. Se täytyy muuttaa toiseen muotoon. Useimmat organismit eivät osaa tätä lainkaan. Ne ovat riippuvaisia mikrobeista, jotka tekevät tämän raskaan työn. Se on yksi niistä näkymättömistä palveluista, joita ilman emme yksinkertaisesti eläisi.

Sopeutunut äärimmäisyyksiin

M. infernuksen nitrogenaasi tekee tämän kemiallisen taidonnäytteen lämpötiloissa, jotka tuhoaisivat lähes minkä tahansa muun proteiinin. Tutkijat havaitsivat, että entsyymi ei ala hajota edes ennen kuin lämpötila nousee noin 90 asteeseen. Osa siitä kestää jopa 98 astetta. Vertailun vuoksi: se on kuumempaa kuin useimmat kotiuunit. Ihmisen proteiinit denaturoituisivat paljon aiemmin.

Tutkimusryhmän johtaja Tristan Wagner kuvasi sitä osuvasti vertaamalla kananmunan keittämiseen. Useimmat proteiinit käyttäytyvät kuin valkuainen – altista ne korkealle lämpötilalle ja ne pilaantuvat peruuttamattomasti. Mutta tämä arkkibakteerin nitrogenaasi on erilainen. Se on suunniteltu toimimaan olosuhteissa, jotka tuhoaisivat kilpailijat.

Yllättävä löytö

Kun tutkijat analysoivat entsyymin molekyylirakennetta voimakkailla röntgensäteillä Ranskassa, he löysivät jotain odottamatonta. Tässä nitrogenaasissa on rakenteellisia piirteitä kaikista kolmesta pääperheestä, joita tutkijat ovat aiemmin tunnistaneet – molybdeeni-, vanadiini- ja rauta-ensisijaisista versioista. Se oli kuin löytäisi yhden esineen, jossa näkyy piirteitä ihmiskunnan jokaiselta aikakaudelta.

Tämä yhdistelmä viittaa vahvasti siihen, että tämä arkkientsyymi saattaa muistuttaa läheisesti sitä, miltä muinaiset nitrogenaasit näyttivät miljardeja vuosia sitten, ennen kuin eri perheet erosivat toisistaan. Jos tämä pitää paikkansa, kyseessä on molekyylinen aikakapseli – ikkuna siihen, miten elämä ratkaisi ilmakehän typen talteenoton ongelman.

Kaikki samaa juonta

Ehkä jännittävin löytö oli "turnover-tila" entsyymissä. Tämä tila on nähty aiemmin vain vanadiini- ja rautaensisijaisissa muodoissa. Se todennäköisesti edustaa hetkeä typen hajotusreaktion aikana, jota tutkijat ovat kamppailleet saadakseen kiinni muista entsyymeistä. Sen löytäminen tässä, vanhasta sukulinjasta peräisin olevassa molybdeeniä sisältävässä nitrogenaasissa, viittaa siihen, että kaikki nitrogenaasimuodot saattavat käyttää pohjimmiltaan samaa perusmekanismia. Kaikki ratkaisevat saman ongelman saman teeman variaatioilla.

Miksi tällä on väliä?

Typen sitominen on elämän perusta maapallolla. Näiden entsyymien toiminnan ymmärtäminen – etenkin extremofiiliversiot – voi lopulta vaikuttaa kaikkeen maataloudesta siihen, miten elämä voisi esiintyä muilla planeetoilla. Jos organismit pystyvät suorittamaan välttämätöntä kemiaa olosuhteissa, jotka aiemmin ajateltiin mahdottomiksi, olemme ehkä ajatelleet liian kapea-alaisesti siitä, missä elämä voisi kehittyä.

Nämä löydökset todella kiehtovat minua. On jotain lähes nöyryyttävää tajuta, että elämä on tehnyt kemiallisia kokeita syvänmeren tuliperäisissä lähteissä miljardeja vuosia, ratkaisten ongelmia, joiden kanssa moderneimmat laboratorioidemme kamppailevat yhä. Ja jossain tuossa muinaisessa viisaudessa saattaa olla vihjeitä kestävämmän tulevaisuuden rakentamiseen – tai ainakin ymmärrystä siitä, kuinka luova ja sitkeä biologia todella on.