Tricorder Tech: Metody genetyczne umożliwiają wykorzystanie lipidów kopalnych jako biomarkerów dla bakterii archeonów wytwarzających tlen

Sinice są kluczowym gatunkiem w historii Ziemi, ponieważ to one jako pierwsze wprowadziły tlen atmosferyczny. Analiza ich ewolucji dostarcza zatem ważnych informacji na temat powstawania współczesnych ekosystemów tlenowych.

Przez długi czas szczególny rodzaj lipidu kopalnego, zwany 2-metylohopanem, uznawano za ważny biomarker sinic w osadach, z których niektóre liczą setki milionów lat. Stało się to jednak kwestionowane, gdy wykazano, że nie tylko sinice, ale także alfaproteobakterie są genetycznie zdolne do wytwarzania tych lipidów.

Międzynarodowy zespół badawczy kierowany przez Yusuke Hoshino z Niemieckiego Centrum Badań Nauk o Ziemi GFZ i Benjamina Nettersheima z MARUM – Centrum Nauk o Środowisku Morskim na Uniwersytecie w Bremie, badał zróżnicowanie ewolucyjne i rozmieszczenie odpowiedzialnych za to genów – w tym HpnP . Do syntezy lipidów macierzystych 2-metylohopanu: naukowcom udało się rozszyfrować, kiedy te geny zostały nabyte przez określone grupy organizmów. Udało im się wykazać, że HpnP mógł już występować u ostatniego wspólnego przodka sinic ponad dwa miliardy lat temu, podczas gdy gen pojawił się u Alphaproteobacteria dopiero około 750 milionów lat temu. W dawnych czasach 2-metylohopan mógł służyć jako wyraźny biomarker sinic wytwarzających tlen.

Badanie, opublikowane obecnie w czasopiśmie Nature Ecology & Evolution, pokazuje, jak genetyka w interakcji z sedymentologią, paleobiologią i geochemią może poprawić wartość diagnostyczną biomarkerów i usprawnić rekonstrukcję wczesnych ekosystemów.

Krajobrazy Australijskich Terytoriów Północnych podczas wycieczki terenowej do liczącej 1,6 miliarda lat formacji Barney Creek w dorzeczu MacArthur w celu zebrania najstarszych próbek 2-metylohopanu do celów niniejszego badania. Źródło zdjęcia: Christian Hallmann, GFZ

Wstęp: Znaczenie sinic w historii Ziemi

Sinice odegrały kluczową rolę w przekształceniu Ziemi z początkowego stanu beztlenowego w nowoczesny, bogaty w tlen system, w którym mogłoby istnieć coraz bardziej złożone życie. Sinice były prawdopodobnie jedyną istotną grupą organizmów, które przekształcały substancje nieorganiczne w substancje organiczne (tzw. produkty pierwotne) i wytwarzały tlen przez długie okresy ery prekambryjskiej (około pierwszych czterech miliardów lat historii Ziemi, od jej początków do. .. Około 540 lat temu). milion lat temu). Dlatego analiza ich ewolucji ma ogromne znaczenie dla zrozumienia wspólnej historii życia i Ziemi.

Znaczenie lipidów kopalnych jako biomarkerów

W zasadzie skamieniałości całych sinic mogą służyć jako wskaźnik istnienia fotosyntezy beztlenowej w przeszłości geologicznej. Jednak ze względu na błędy konserwatorskie i niejasności w identyfikacji kopalnych komórek cyjanobakterii geochemicy używają diagnostycznych lipidów kopalnych, takich jak 2-metylohopan. 2-metylohopanoidy (nieskamieniałe cząsteczki macierzyste) są wytwarzane przez bakterie i mogą – w przeciwieństwie do samych bakterii – zostać skamieniałe i odkryte w skałach osadowych nawet po setkach milionów lat w dobrej jakości i ilościach zgodnych z ich pierwotnym występowaniem.

Jednakże ostatnio pojawiły się wątpliwości co do przydatności 2-metylohopanu jako biomarkera sinic: odkrycie genu biosyntezy lipidów ujawniło, że Alphaproteobacteria są również zdolne do wytwarzania tych lipidów. Oznacza to, że tymczasowe śledzenie procesów produkcji tlenu na Ziemi za pomocą 2-metylohopanu nie jest już możliwe.

A, Datowana filogeneza Alphaproteobacteria i występowanie HpnP w typie. Zarówno topologia drzewa, jak i daty węzłów zostały zmodyfikowane na podstawie niedawnego badania filogenetycznego (rysunek uzupełniający 10). Liczby na drzewie wskazują główne wydarzenia ewolucyjne dla gromad Cyanobacteria i Alphaproteobacteria: (1) rozbieżność cyjanobakterii w grupie Corona; (2) rozbieżność alfaproteobakterii z beta i gammaproteobakteriami; (3) Dywergencja Alphaproteobacteria w grupie korony. (4) Różnica w drobnoustrojach. (5) Rozbieżność rodzin drobnoustrojów zawierających HpnP – Beijerinckiaceae (węzeł a), Methylobacteriaceae (węzeł b) i Nitrobacteraceae (węzeł c). Węzły a, b i c wskazują na występowanie trzech rodzin zawierających HpnP w Hyphobiotices. Słupki węzłów wskazują najwyższy 95% przedział gęstości tylnej dla historii późniejszych. Dodatkowy rysunek 10 przedstawia datowaną filogenezę z adnotacją gatunku. B, indeks 2-metylohopanu (2-MHI, %C31 2-metylohopan / (C31 2-metylohopan + C30 αβ-hopan)) w całej historii Ziemi. Dane zawierają nowo przeanalizowane wartości z tego badania (puste kółka) i z literatury (puste kwadraty). Każde kółko i pole reprezentuje średnią wszystkich wartości 2-MHI z poszczególnych formacji geologicznych lub opublikowanych badań (tabela uzupełniająca 7). Podstawowy bladozielony diagram słupkowy przedstawia zaniedbane średnie dla jednostek czasu geologicznego (tabela uzupełniająca 7). Niebieskie, zielone i jasnoniebieskie strzałki wskazują dwa okresy geologiczne, w których sinice i algi dominowały w pierwotnej produktywności morza. Skróty: GOE, wielkie wydarzenie utleniające; Mamo, milion lat temu. Rysunek zaadaptowany z ref. 32 Na licencji Creative Commons CC BY 4.0.

Nowe podejście: kompleksowa analiza genetyczna połączona z analizą nowych osadów o wysokiej czystości

Międzynarodowy zespół badawczy kierowany przez Yusuke Hoshino i Christiana Hallmanna, naukowców z sekcji GFZ 3.2 „Geochemia organiczna” oraz Benjamina Nettersheima z MARUM na Uniwersytecie w Bremie, przeprowadził systematyczne badania organizmów innych niż sinice, które posiadają geny (w skrócie jak geny SC i HpnP), które są niezbędne do produkcji 2-metylohopanoidu, oraz kiedy nabyły te geny w trakcie ewolucji. W ten sposób zespołowi udało się wykazać, że kopalny lipid, 2-metylohopan, może być nadal stosowany jako wyraźny biomarker obecności sinic od czasów sięgających ponad 750 milionów lat.

Ponadto badacze ustalili pełny zapis produkcji 2-metylohopanu na przestrzeni historii Ziemi. W tym celu połączyli swoje dane molekularne z analizami nowych osadów przeprowadzonymi w wysoce oczyszczonych warunkach.

„Zaproponowaną przez nas metodę można w zasadzie zastosować do dowolnego materiału organicznego w archiwach geologicznych i ma ona ogromny potencjał w zakresie śledzenia ewolucji różnych ekosystemów ze znacznie większą rozdzielczością czasową i przestrzenną niż wcześniej” – podsumowuje Hoshino.

Drzewo skonstruowano przy użyciu 135 reprezentatywnych sekwencji i 534 zachowanych miejsc. Wypełnione czarne kółka wskazują, że obsługa węzłów jest większa niż 85% zarówno w przypadku wnioskowania o maksymalnej wiarygodności, jak i wnioskowania bayesowskiego (obsługa węzłów jest pokazana tylko dla głównych klastrów). Wypełnione szare kółka wskazują, że wsparcie węzła przekracza ten sam próg dla jednego z dwóch wniosków. Obecność/brak genu SC jest zaznaczona obok drzewa. Dodatek przedstawia główne klady homologów HpnP (białka HpnP i HpnP-podobne), które zachowują trzy konserwatywne domeny; Domena wiążąca B-12, rodnikowa domena SAM i domena DUF4070. Pasek skali przedstawia 0,4 podstawień aminokwasów na miejsce na jednostkę czasu ewolucji. Dodatkowa rys. 1-3 Zawiera kompletne drzewa z objaśnieniami dotyczącymi gatunków.

Pierwsza metodologia: badanie obliczeniowe analizy genetycznej

Aby przeanalizować powiązania genetyczne, Hoshino przeszukał publicznie dostępne bazy danych, które zawierają miliony sekwencji genów i białek, w poszukiwaniu organizmów zawierających geny SC i HpnP. Na podstawie tego zestawu danych genetycznych stworzył tak zwane drzewa filogenetyczne, które dostarczają informacji o tym, w jaki sposób geny SC i HpnP były przenoszone między różnymi organizmami oraz czy transfer genów odbywał się pionowo w drodze dziedziczenia, czy poziomo między organizmami niepowiązanymi ewolucyjnie. Co więcej, badaczom udało się również ustalić, kiedy w historii ewolucji genów miały miejsce poszczególne transfery genów, porównując poprzednie badania, w których wykorzystano tak zwaną technologię zegara molekularnego, która uwzględnia tempo mutacji DNA i szacuje oś czasu genu. rozwój.

Metodologia 2: Nowy rodzaj ultraczystego przygotowania próbki

Ponadto, ponieważ zapisy biomarkerów prekambryjskich są tak wrażliwe na zanieczyszczenia, badacze zastosowali ultraczystą metodę ekstrakcji materiałów organicznych z rdzenia osadu. Próbki geologiczne w kształcie serca zebrało kilku współautorów z 16 krajów. Reprezentują różne okresy geologiczne, od paleozoiku (2,5 miliarda lat temu) do współczesności. Następnie zmierzono względną zawartość 2-metylohopanu w materii organicznej.

Wyniki szczegółowo

Istnieje wiele bakterii posiadających zarówno geny SC, jak i HpnP, ale są to głównie cyjanobakterie i alfaproteobakterie. Stwierdzono, że każda grupa nabyła te dwa geny niezależnie. Kontrastuje to z poprzednimi badaniami, w których stwierdzono, że sinice nabyły te geny od Alphaproteobacteria na późnym etapie swojej ewolucji. Nowe badanie ujawniło również, że wspólny przodek cyjanobakterii posiadał oba geny już ponad 2,4 miliarda lat temu, kiedy tlen zaczął gromadzić się w atmosferze podczas tak zwanego Wielkiego Wydarzenia Utleniającego.

Natomiast Alphaproteobacteria nabyły geny SC i HpnP dopiero 750 milionów lat temu. Wcześniej 2-metylohopanoidy były produkowane wyłącznie przez sinice. Naukowcy interpretują nieco późniejszy wzrost zawartości 2-metylohopanu w osadach około 600 milionów lat temu jako oznakę globalnego rozprzestrzeniania się Alphaproteobacteria, co mogło sprzyjać równoczesnemu ewolucyjnemu wzrostowi glonów eukariotycznych.

Podsumowanie i prognoza

„Wspomniane powyżej poszczególne metody analityczne nie są nowe, jednak niewielu badaczy podejmowało już wcześniej próby przeprowadzenia kompleksowych analiz SC i HpnP oraz połączenia danych genetycznych z danymi dotyczącymi biomarkerów osadowych, gdyż wymaga to połączenia dwóch zupełnie różnych dyscyplin naukowych – biologii molekularnej i geochemii organicznej. ” – Hoshino mówi.

„Osadowe źródło 2-metylohopanu jest przedmiotem długiej debaty” – dodaje Christian Holman. „To nowe badanie nie tylko zapewnia jasność co do diagnozy 2-metylohopanu i roli sinic w głębokim czasie; jego metodologia wyznacza nową drogę do poprawy diagnostyki dowolnego biomarkera lipidowego, teoretycznie, po poznaniu genów biosyntezy .”

Genetyka przywraca użyteczność 2-metylohopanu jako biomarkerów sinic 750 milionów lat temuEkologia naturalna i ewolucja (otwarty dostęp)

Astrobiologia