La Tierra de hace miles de millones de años era un planeta casi irreconocible. Apenas había oxígeno en su atmósfera, los continentes tenían una configuración completamente diferente y la vida estaba formada principalmente por microorganismos capaces de sobrevivir en condiciones que hoy consideraríamos extremas.
Aquellos organismos necesitaban nitrógeno para construir proteínas, ADN y otras moléculas esenciales. El problema es que, aunque este elemento era abundante en la atmósfera, aparecía unido en moléculas de N₂ extremadamente difíciles de romper.
La solución evolutiva fue una enzima llamada nitrogenasa. Ahora, científicos de la Universidad de Wisconsin-Madison, la Universidad Estatal de Utah y otras instituciones han reconstruido versiones ancestrales de esta maquinaria molecular, las han instalado dentro de bacterias vivas y han observado cómo procesan el nitrógeno.
El experimento, publicado en Nature Communications y financiado en parte por la NASA, no explica directamente cómo apareció la primera vida. Sí permite comprender mejor cómo algunas de las comunidades microbianas más antiguas consiguieron alimentarse y sostener la biosfera mucho antes de la aparición de animales, plantas o una atmósfera rica en oxígeno.
No recuperaron una enzima conservada durante 3.200 millones de años
Hablar de una enzima “resucitada” puede producir una imagen equivocada. Los investigadores no encontraron una proteína intacta dentro de una roca ni extrajeron ADN de un microorganismo del Arcaico.
Las enzimas no se conservan durante miles de millones de años. El equipo recurrió a una técnica conocida como reconstrucción de secuencias ancestrales: comparó los genes de nitrogenasas actuales, elaboró un árbol evolutivo e infirió cómo pudieron ser las secuencias de sus antepasados comunes.
Después sintetizó esas secuencias de ADN en el laboratorio y las introdujo en una bacteria moderna llamada Azotobacter vinelandii, cuyo sistema natural de fijación de nitrógeno había sido eliminado. De esta manera, la supervivencia y el crecimiento de la bacteria dependían de las nitrogenasas reconstruidas.
Existe además un matiz importante respecto a la antigüedad. Las cuatro versiones experimentales (denominadas Anc1, Anc2, Anc3 y Anc4) representan etapas evolutivas situadas aproximadamente entre hace 700 y 2.300 millones de años. Los 3.200 millones de años corresponden a las rocas que contienen las evidencias geoquímicas más antiguas aceptadas de fijación biológica del nitrógeno, no a la edad precisa de la enzima más antigua reconstruida en el laboratorio.
La vida necesitaba romper una de las moléculas más resistentes
El nitrógeno está presente en aminoácidos, proteínas, ácidos nucleicos y numerosos compuestos indispensables para cualquier organismo conocido. Sin embargo, la mayoría de los seres vivos no puede utilizar directamente el N₂ atmosférico porque sus dos átomos están unidos mediante un enlace triple muy estable.
Solo determinados microorganismos, conocidos como diazótrofos, poseen nitrogenasas capaces de romper ese enlace y transformar el nitrógeno gaseoso en amoníaco. A partir de allí, el elemento puede incorporarse a las cadenas alimentarias y terminar en plantas, animales y seres humanos.
Cada ecosistema terrestre depende, directa o indirectamente, de este proceso. Antes de la fabricación industrial de fertilizantes, prácticamente todo el nitrógeno biológicamente disponible había pasado en algún momento por microorganismos fijadores o por procesos naturales mucho menos eficientes, como los rayos.
Comprender cuándo apareció la nitrogenasa permite, por tanto, establecer en qué momento la biosfera primitiva consiguió acceder de manera estable a uno de sus nutrientes fundamentales.
Las rocas antiguas guardan una firma, pero había una duda
Cuando una nitrogenasa transforma el nitrógeno atmosférico, no procesa exactamente igual sus dos isótopos estables, el nitrógeno-14 y el nitrógeno-15. Esa pequeña preferencia deja una proporción característica en la biomasa producida por los microorganismos.
Después de que esos organismos mueren, parte del nitrógeno queda incorporada a los sedimentos. Con el paso del tiempo, esos materiales se compactan hasta convertirse en rocas que todavía pueden conservar la señal isotópica.
En formaciones geológicas de unos 3.200 millones de años, los científicos han encontrado valores compatibles con la actividad de nitrogenasas dependientes de molibdeno. Esas mediciones constituyen una de las pruebas más antiguas de que los microorganismos ya fijaban nitrógeno en el Arcaico.
Pero toda esa interpretación dependía de una suposición difícil de comprobar: que las nitrogenasas antiguas dejaban una firma isotópica semejante a la de sus descendientes actuales.
Si la enzima hubiera cambiado radicalmente durante su evolución, los científicos podrían estar leyendo de forma incorrecta las señales conservadas en las rocas.
Las enzimas cambiaron, pero su firma sobrevivió
Los investigadores cultivaron las bacterias modificadas utilizando el nitrógeno atmosférico como única fuente del elemento. Después analizaron la composición isotópica de la biomasa generada por cada cepa.
Todas las nitrogenasas ancestrales produjeron valores de fraccionamiento situados aproximadamente entre −0,9 y −2,9 partes por mil. Aunque existían diferencias entre ellas y funcionaban con menor actividad que la enzima moderna, sus firmas se mantenían dentro de un rango similar al observado en microorganismos actuales.
El resultado significa que la secuencia genética y determinados detalles estructurales de la nitrogenasa pudieron cambiar durante más de 2.000 millones de años sin alterar profundamente la huella isotópica generada por su reacción.
Esa estabilidad respalda la interpretación de las rocas arcaicas. Las señales detectadas en materiales de hace 3.200 millones de años probablemente sí proceden de microorganismos que utilizaban una forma temprana de nitrogenasa para incorporar nitrógeno a su biomasa. El estudio incluso plantea que esta ruta metabólica podría haber aparecido antes de lo que permite reconocer el registro geológico disponible.
No revela cómo nació la vida, sino cómo consiguió mantenerse
La fijación biológica del nitrógeno no tuvo que participar necesariamente en el momento exacto en que surgieron las primeras moléculas autorreplicantes. La vida ya debía existir antes de que una maquinaria tan compleja como la nitrogenasa pudiera evolucionar.
El avance ayuda a reconstruir una etapa posterior pero decisiva: aquella en la que los microorganismos tempranos desarrollaron metabolismos capaces de sostener ecosistemas cada vez más productivos.
La Tierra anterior al Gran Evento de Oxidación, ocurrido hace aproximadamente 2.450 millones de años, contenía más metano y dióxido de carbono, mientras que el oxígeno libre era escaso. A pesar de aquellas condiciones, la similitud entre las enzimas reconstruidas y las modernas sugiere que una parte esencial del ciclo del nitrógeno ya estaba establecida.
Una herramienta para buscar vidas que ya desaparecieron
El experimento también interesa a la astrobiología. Las misiones que estudien rocas de Marte u otros mundos podrían encontrar variaciones isotópicas del nitrógeno, pero interpretar esas señales exige saber qué procesos biológicos pueden producirlas y si permanecen reconocibles durante periodos enormes.
El trabajo del consorcio MUSE, financiado por la NASA y dirigido por Betül Kaçar, proporciona una forma de comprobar esas biosignaturas antes de aplicarlas fuera de la Tierra. En lugar de limitarse a comparar minerales antiguos con organismos modernos, los científicos pueden reconstruir etapas intermedias de la evolución molecular y probarlas dentro de células vivas.
Encontrar una proporción determinada de isótopos nunca bastará por sí sola para demostrar que Marte tuvo vida. Los procesos geológicos y atmosféricos también pueden modificar esos valores. Pero disponer de una firma biológica validada durante miles de millones de años ayuda a distinguir qué señales merecen ser investigadas.
Los investigadores no han recuperado una molécula que permaneciera dormida desde la juventud de la Tierra. Han hecho algo diferente: utilizaron las enzimas actuales como ramas de un árbol y reconstruyeron parte de su tronco desaparecido.
Al devolver esas secuencias a una célula viva, descubrieron que la vida ha cambiado casi todo desde entonces, excepto una pequeña firma química que todavía permanece escrita en algunas de las rocas más antiguas del planeta.
