ABSTRACT Carbon isotope biosignatures preserved in the Precambrian geologic record are primarily interpreted to reflect ancient cyanobacterial carbon fixation catalyzed by Form I RuBisCO enzymes. The average range of isotopic biosignatures generally follows that produced by extant cyanobacteria. However, this observation is difficult to reconcile with several environmental (e.g., temperature, pH, and CO 2 concentrations), molecular, and physiological factors that likely would have differed during the Precambrian and can produce fractionation variability in contemporary organisms that meets or exceeds that observed in the geologic record. To test a range of genetic and environmental factors that may have impacted ancient carbon isotope biosignatures, we engineered a mutant strain of the model cyanobacterium Synechococcus elongatus PCC 7942 that overexpresses RuBisCO and characterized the resultant physiological and isotope fractionation effects. We specifically investigated how both increased atmospheric CO 2 concentrations and RuBisCO regulation influence cell growth, oxygen evolution rate, and carbon isotope fractionation in cyanobacteria. We found that elevated CO 2 increases the growth rate of wild-type and mutant strains, and that the pool of active RuBisCO enzyme increases with increased expression. RuBisCO overexpression in our engineered strain does not significantly affect isotopic discrimination at all tested CO 2 concentrations, yielding cellular 13 C/ 12 C isotope discrimination (ε p ) of ∼24‰ for both wild-type and mutant strains at elevated CO 2 . Understanding the environmental factors that impact gene regulation, physiology, and evolution is crucial for reconciling microbially driven carbon isotope fractionation with the geologic record carbon biosignatures.

Summary The earliest geochemical indicators of microbes—and the enzymes that powered them—extend back almost 3.8 billion years on our planet. Paleobiologists often attempt to understand these indicators by assuming that the behaviors of modern microbes and enzymes are consistent (uniform) with those of their predecessors. A uniformitarian assumption (i.e., the idea that fundamental geobiological processes have occurred in much the same manner over Earth history) seems at odds with our understanding of the inherent variability of living systems. Here, we examine whether a uniformitarian assumption for an enzyme thought to generate carbon isotope indicators of biological activity, RuBisCO, can be corroborated by independently studying the history of changes recorded within RuBisCO’s genetic sequences. Specifically, we resurrected a Precambrian-age, ancient RuBisCO by engineering its ancient DNA inside a modern cyanobacterium genome and measured the engineered organism’s fitness and carbon-isotope-discrimination profile. The envelope of ancestral RuBisCO isotopic fractionation observed here indicates that uniformitarian assumptions may be warranted, but with important caveats. Our results suggest that further inquiries that link molecule-level evolutionary changes with planet-level geochemical conditions are needed to discern whether enzyme-affected isotope fractionation trends extend deeper into the early Precambrian. Experimental studies illuminating life’s early molecular innovations are crucial to explore the foundations of Precambrian uniformitarian assumptions.

ABSTRACT Life depends on a conserved set of chemical energy currencies that are relics of early biochemistry. One of these is ATP, a molecule that, when paired with a divalent metal ion such as Mg 2+ , can be hydrolyzed to support numerous cellular and molecular processes. Despite its centrality to extant biochemistry, it is unclear whether ATP supported the function of ancient enzymes. We investigate the evolutionary necessity of ATP by experimentally reconstructing an ancestral variant of the N 2 -reducing enzyme nitrogenase. The Proterozoic ancestor is predicted to be ~540–2,300 million years old, post-dating the Great Oxidation Event. Growth rates under nitrogen-fixing conditions are ~80% of those of wild type in Azotobacter vinelandii . In the extant enzyme, the hydrolysis of two MgATP is coupled to electron transfer to support substrate reduction. The ancestor has a strict requirement for ATP with no other nucleotide triphosphate analogs (GTP, ITP, and UTP) supporting activity. Alternative divalent metal ions (Fe 2+ , Co 2+ , and Mn 2+ ) support activity with ATP but with diminished activities compared to Mg 2+ , similar to the extant enzyme. Additionally, it is shown that the ancestor has an identical efficiency in ATP hydrolyzed per electron transferred to the extant of two. Our results provide direct laboratory evidence of ATP usage by an ancient enzyme. IMPORTANCE Life depends on energy-carrying molecules to power many sustaining processes. There is evidence that these molecules may predate the rise of life on Earth, but how and when these dependencies formed is unknown. The resurrection of ancient enzymes provides a unique tool to probe the enzyme’s function and usage of energy-carrying molecules, shedding light on their biochemical origins. Through experimental reconstruction, this research investigates the ancestral dependence of a nitrogen-fixing enzyme on the energy carrier ATP, a requirement for function in the modern enzyme. We show that the resurrected ancestor does not have generalist nucleotide specificity. Rather, the ancestor has a strict requirement for ATP, like the modern enzyme, with similar function and efficiency. The findings elucidate the early-evolved necessity of energy-yielding molecules, delineating their role in ancient biochemical processes. Ultimately, these insights contribute to unraveling the intricate tapestry of evolutionary biology and the origins of life-sustaining dependencies.

ABSTRACT The planetary biosphere is powered by a suite of key metabolic innovations that emerged early in the history of life. However, it is unknown whether life has always followed the same set of strategies for performing these critical tasks. Today, microbes access atmospheric sources of bioessential nitrogen through the activities of just one family of enzymes, nitrogenases. Here, we show that the only dinitrogen reduction mechanism known to date is an ancient feature conserved from nitrogenase ancestors. We designed a paleomolecular engineering approach wherein ancestral nitrogenase genes were phylogenetically reconstructed and inserted into the genome of the diazotrophic bacterial model, Azotobacter vinelandii , enabling an integrated assessment of both in vivo functionality and purified nitrogenase biochemistry. Nitrogenase ancestors are active and robust to variable incorporation of one or more ancestral protein subunits. Further, we find that all ancestors exhibit the reversible enzymatic mechanism for dinitrogen reduction, specifically evidenced by hydrogen inhibition, that is also exhibited by extant A. vinelandii nitrogenase isozymes. Our results suggest that life may have been constrained in its sampling of protein sequence space to catalyze one of the most energetically challenging biochemical reactions in nature. The experimental framework established here is essential for probing how nitrogenase functionality has been shaped within a dynamic, cellular context to sustain a globally consequential metabolism. IMPACT STATEMENT The enzymatic mechanism for dinitrogen reduction is an ancient feature of nitrogenases that persisted over hundreds of millions of years.

A grand challenge for the next century can be found in mitigating the effects of changing climate through bioengineering solutions. Biological nitrogen fixation, the globally consequential, nitrogenase-catalyzed reduction of atmospheric nitrogen to bioavailable ammonia, is a particularly vital area of focus. Nitrogen fixation engineering relies upon extensive understanding of underlying genetics in microbial models, including the broadly utilized gammaproteobacterium, Azotobacter vinelandii (A. vinelandii). Here we report the first CRISPR interference (CRISPRi) system for targeted gene silencing in A. vinelandii that integrates genomically via site-specific transposon insertion. We demonstrate that CRISPRi can repress transcription of an essential nitrogen fixation gene by ~60%. Further, we show that nitrogenase genes are suitably expressed from the transposon insertion site, indicating that CRISPRi and engineered nitrogen fixation genes can be co-integrated for combinatorial studies of gene expression and engineering. Our established CRISPRi system extends the utility of A. vinelandii and will aid efforts to engineer microbial nitrogen fixation for desired purposes.

ABSTRACT Nitrogenase metalloenzymes have catalyzed biological nitrogen fixation for billions of years and revolutionized planet Earth by supplying essential nitrogen to the biosphere. How these enzymes were built and distributed by microbial and evolutionary processes in a shifting geochemical landscape remains an open question. Here, we probe the birth and evolution of the G-subunit protein, an integral, Precambrian-age structural component of certain nitrogenase isozymes that makes its appearance midway through nitrogenase evolutionary history. We establish that the G-subunit is an orphan protein, with no homologs detected across wider protein diversity. We find that G-subunit emergence accompanied both the diversification of nitrogenase metal usage and an ecological expansion of nitrogen-fixing microbes during the transition in enviromental metal availabilities triggered by Earth surface oxygenation ∼2.5 billion years ago. Further, analyses of ancestral nitrogenase structures implicate a role for the G-subunit in novel metal incorporation, which would have primed nitrogenases and their hosts to exploit these newly diversified geochemical environments. However, permanent recruitment of the G-subunit into the nitrogenase complex was likely only enabled by tuning preexisting, protein interaction features that were selected prior to Earth oxygenation. Our results showcase how contingent evolutionary novelties shape microbial ecological responses and their global consequences.

ABSTRACT Biological nitrogen fixation, the microbial reduction of atmospheric nitrogen to bioavailable ammonia, represents both a major limitation on biological productivity and a highly desirable engineering target for synthetic biology. However, engineering of nitrogen fixation requires an integrated understanding of how the gene regulatory dynamics of host diazotrophs restrict the available sequence-function space of its central catalytic metalloenzyme, nitrogenase. Here, we interrogate this relationship by analyzing the transcriptome of Azotobacter vinelandii engineered with a phylogenetically inferred, ancestral nitrogenase protein variant. The engineered strain exhibits reduced cellular nitrogenase activity but recovers wild-type growth rates following an extended lag period. We find that expression of genes within the immediate nitrogen fixation network is resilient to nitrogenase sequence-level perturbations. Rather, physiological compatibility with the ancestral nitrogenase variant is restored by reducing trace metal and electron resource allocation to nitrogenase. Our results spotlight cellular processes adjacent to nitrogen fixation as productive engineering targets to improve compatibility between remodeled nitrogenase proteins and engineered host diazotrophs. IMPORTANCE Azotobacter vinelandii is a key model bacterium for the study of biological nitrogen fixation, an important metabolic process catalyzed by nitrogenase enzymes. Here, we demonstrate that compatibilities between engineered A. vinelandii strains and remodeled nitrogenase variants can be modulated at the regulatory level. Engineered cells respond by adjusting expression of proteins involved in cellular processes adjacent to nitrogen fixation, rather than that of nitrogenase proteins themselves. These insights can inform future strategies to transfer nitrogenase variants to non-native hosts.

ABSTRACT For billions of years, life has continuously adapted to dynamic physical conditions near the Earth’s surface. Fossils and other preserved biosignatures in the paleontological record are the most direct evidence for reconstructing the broad historical contours of this adaptive interplay. However, biosignatures dating to Earth’s earliest history are exceedingly rare. Here, we combine phylogenetic inference of primordial rhodopsin proteins with modeled spectral features of the Precambrian Earth environment to reconstruct the paleobiological history of this essential family of photoactive transmembrane proteins. Our results suggest that ancestral microbial rhodopsins likely acted as light-driven proton pumps and were spectrally tuned toward the absorption of green light, which would have enabled their hosts to occupy depths in a water column or biofilm where UV wavelengths were attenuated. Subsequent diversification of rhodopsin functions and peak absorption frequencies was enabled by the expansion of surface ecological niches induced by the accumulation of atmospheric oxygen. Inferred ancestors retain distinct associations between extant functions and peak absorption frequencies. Our findings suggest that novel information encoded by biomolecules can be used as “paleosensors” for conditions of ancient, inhabited niches of host organisms not represented elsewhere in the paleontological record. The coupling of functional diversification and spectral tuning of this taxonomically diverse protein family underscores the utility of rhodopsins as universal testbeds for inferring remotely detectable biosignatures on inhabited planetary bodies.

Abstract Life depends on a conserved set of chemical energy currencies that are relics of early biochemistry. One of these is ATP, a molecule that, when paired with a divalent metal ion such as Mg 2+ , can be hydrolyzed to support numerous cellular and molecular processes. Despite its centrality to extant biochemistry, it is unclear whether ATP supported the function of ancient enzymes. We investigate the evolutionary necessity of ATP by experimentally reconstructing an ancestral variant of the key N 2 -reducing enzyme nitrogenase. We show that the ancestor has a strict requirement for ATP and its hydrolysis is coupled to electron transfer for N 2 reduction. Our results provide direct laboratory evidence of ATP usage by an ancient enzyme, and underscore how biomolecular constraints can entirely decouple cofactor selection from environmental availability.

ABSTRACT The nitrogenase metalloenzyme family, essential for supplying fixed nitrogen to the biosphere, is one of life’s key biogeochemical innovations. The three isozymes of nitrogenase differ in their metal dependence, each binding either a FeMo-, FeV-, or FeFe-cofactor where the reduction of dinitrogen takes place. The history of nitrogenase metal dependence has been of particular interest due to the possible implication that ancient marine metal availabilities have significantly constrained nitrogenase evolution over geologic time. Here, we reconstructed the evolutionary history of nitrogenases, and combined phylogenetic reconstruction, ancestral sequence inference, and structural homology modeling to evaluate the potential metal dependence of ancient nitrogenases. We find that active-site sequence features can reliably distinguish extant Mo-nitrogenases from V- and Fe-nitrogenases, and that inferred ancestral sequences at the deepest nodes of the phylogeny suggest these ancient proteins most resemble modern Mo-nitrogenases. Taxa representing early-branching nitrogenase lineages lack one or more biosynthetic nifE and nifN genes that both contribute to the assembly of the FeMo-cofactor in studied organisms, suggesting that early Mo-nitrogenases may have utilized an alternate and/or simplified pathway for cofactor biosynthesis. Our results underscore the profound impacts that protein-level innovations likely had on shaping global biogeochemical cycles throughout the Precambrian, in contrast to organism-level innovations that characterize the Phanerozoic Eon.