The search for life beyond Earth has long captivated scientists and the public alike. Mars, with its similarities to Earth’s early history, has emerged as a prime candidate for harboring past or present life. However, identifying biosignatures on Mars remains a challenging task due to the harsh Martian environment and the limitations imposed by being remotely operated of our current detection methods.
Since the discovery of extremophile microorganisms, an approach to understanding and assessing potential Martian life is to study early life on Earth that must had thriven under extreme environmental conditions. Particularly by inferring the molecular mechanisms and biochemical traits that allowed the first microorganisms to cope under such conditions. In this thesis, by comparing the structure and function of proteins recovered through ancestral sequence reconstruction (ASR) and protein resurrection (PR) with their modern counterparts, we have identified conserved residues or short peptide sequences of functional significance. These conserved features, which can theoretically dated back to 4 Ga of Earth history, could also serve as biomarkers and indicators of metabolic processes and biochemistry of early life on Mars.
This approach described herein provides a framework for biomarker discovery by ancestral sequence reconstruction-protein resurrection (ASR-PR), identification of conserved residues and screening for ancestral peptide/protein biomarker.
Using antibodies raised against a selection of ancestral <resurrected= proteins (ARP), we identified peptides that could have existed in Precambrian Earth 3-4 Ga, in the hydrothermal field of El Tatio (Chile), an analog environment of early Earth and Mars. This environment was abundant in proteins of the Hsp60 (Heat Shock Protein) family, ubiquitous molecular chaperones involved in basal and stress management of the cell. We performed an ASR-PR study of this family of proteins and we obtained four resurrected Precambrian (2-4 Ga) versions that assemble as their modern counterparts, with ATPase and chaperonin activity even with less than 60% amino acid identity. Some of these ARPs even exhibited a higher chaperonin activity, which, together with their ancestral features, provide a framework for future biomarker discovery, paleoenvironment characterization, and potential applications in industry.
In this thesis we show that ASR-PR approach allows to travel back in time to a period where life on Earth could not had been too much different to a hypothetical Martian life. Therefore, comparing ARPs and their modern counterparts in terrestrial analogues provides a promising strategy for identifying biosignatures on present Mars. Assuming that an hypothetical early Martian microbiota could have evolved very slowly, due to the global extreme conditions since very early in Mars history, any current life or well preserved ancestral remnants could share conserved residues, even with functional significance, that allow us to narrow down the search for peptide/protein targets as traces of life on the Red Planet. This approach holds immense potential for our understanding of the origins of life and the possibility of extraterrestrial life beyond Earth.
La b ̇squeda de vida m·s all· de la Tierra lleva mucho tiempo cautivando a los cientÌficos y al p ̇blico. Marte, con sus similitudes con la historia temprana de la Tierra, ha surgido como un candidato principal para albergar vida pasada o presente. Sin embargo, la identificaciÛn de biomarcadores en Marte sigue siendo una tarea ardua debido a la dureza del entorno marciano y a las limitaciones impuestas por el funcionamiento a distancia de nuestros actuales mÈtodos de detecciÛn.
Desde el descubrimiento de los microorganismos extremÛfilos, una forma de comprender y evaluar la posible vida marciana consiste en estudiar la vida primitiva en la Tierra, que debiÛ de desarrollarse en condiciones ambientales extremas. En particular, deduciendo los mecanismos moleculares y los rasgos bioquÌmicos que permitieron a los primeros microorganismos sobrevivir en tales condiciones. En esta tesis, al comparar la estructura y funciÛn de proteÌnas recuperadas mediante reconstrucciÛn de secuencias ancestrales (ASR) y resurrecciÛn de proteÌnas (PR) con sus homÛlogas modernas, hemos identificado residuos conservados o secuencias peptÌdicas cortas de importancia funcional. Estas caracterÌsticas conservadas, que teÛricamente pueden remontarse a cuatro mil millones de aÒos) de la historia de la Tierra, podrÌan servir tambiÈn como biomarcadores e indicadores de los procesos metabÛlicos y la bioquÌmica de la vida primitiva en Marte.
Este enfoque aquÌ descrito proporciona un marco para el descubrimiento de biomarcadores mediante la reconstrucciÛn de secuencias ancestrales-resurrecciÛn de proteÌnas (ASR-PR), la identificaciÛn de residuos conservados y el cribado ancestral de biomarcadores peptÌdicos/proteicos.
Utilizando anticuerpos producidos frente a una selecciÛn de proteÌnas ancestrales «resucitadas» (ARP), identificamos pÈptidos que podrÌan haber existido en la Tierra prec·mbrica hace 3-4 mil millones de aÒos en el campo hidrotermal de El Tatio (Chile), un entorno an·logo de la Tierra y Marte primitivos. Este entorno era abundante en proteÌnas de la familia Hsp60 (Heat Shock Protein), chaperonas moleculares ubicuas implicadas en la gestiÛn basal y del estrÈs de la cÈlula. Realizamos un estudio ASR-PR de esta familia de proteÌnas y obtuvimos cuatro versiones prec·mbricas resucitadas que se ensamblan como sus homÛlogas modernas, y con actividad ATPasa y chaperonina, incluso con menos del 60% de identidad aminoacÌdica. Algunas de estas ARP mostraron incluso mayor actividad chaperonina, lo que, junto con sus caracterÌsticas ancestrales, proporciona un marco para el futuro descubrimiento de biomarcadores, la caracterizaciÛn paleoambientes y las posibles aplicaciones industriales. En esta tesis demostramos que el enfoque ASR-PR permite viajar en el tiempo hasta un periodo en el que la vida en la Tierra no podrÌa haber sido muy diferente a una hipotÈtica vida marciana. Por lo tanto, la comparaciÛn de los ARP y sus homÛlogos modernos en an·logos terrestres proporciona una estrategia prometedora para identificar biomarcadores en el Marte actual. Asumiendo que una hipotÈtica microbiota marciana temprana podrÌa haber evolucionado muy lentamente, debido a las condiciones extremas globales desde muy temprano en la historia de Marte, cualquier vida actual o remanentes ancestrales bien preservados podrÌan compartir residuos conservados, incluso con significado funcional, y podrÌa ayudarnos a acotar la b ̇squeda de objetivos de pÈptidos/proteÌnas como rastros de vida en el Planeta Rojo. Este enfoque posee un potencial inmenso para mejorar nuestra comprensiÛn de los orÌgenes de la vida y la posibilidad de vida extraterrestre m·s all· de la Tierra.
