I metodi genetici consentono l’uso di lipidi fossili come biomarcatori per i batteri primordiali che producono ossigeno

Un gruppo di ricerca internazionale guidato da Yosuke Hoshino del Centro di ricerca tedesco per le geoscienze GFZ e Benjamin Nettersheim del MARUM – Centro per le scienze ambientali marine dell’Università di Brema – ha ora studiato la diversificazione filogenetica e la distribuzione dei geni – incluso HpnP – che sono responsabili della sintesi dei lipidi originari del 2-metilhopanes: i ricercatori hanno decifrato quando questi geni sono stati acquisiti da alcuni gruppi di organismi. Sono stati in grado di dimostrare che HpnP era probabilmente già presente nell’ultimo antenato comune dei cianobatteri più di due miliardi di anni fa, mentre il gene è apparso negli alfaproteobatteri solo circa 750 milioni di anni fa. Per i tempi precedenti, il 2-metilhopane può quindi fungere da chiaro biomarcatore per i cianobatteri produttori di ossigeno.

Lo studio, che è stato ora pubblicato sulla rivista Ecologia ed evoluzione della naturamostra come la genetica, in interazione con la sedimentologia, la paleobiologia e la geochimica, può migliorare il valore diagnostico dei biomarcatori e affinare la ricostruzione dei primi ecosistemi.

Background: L’importanza dei cianobatteri nella storia della Terra

I cianobatteri hanno svolto un ruolo cruciale nel trasformare la Terra dal suo stato iniziale privo di ossigeno a un sistema moderno e ricco di ossigeno in cui è possibile una vita sempre più complessa. I cianobatteri furono probabilmente l’unico gruppo rilevante di organismi che trasformarono le sostanze inorganiche in organiche (i cosiddetti produttori primari) e produssero ossigeno per lunghi tratti del Precambriano (i primi quattro miliardi circa di anni della storia della Terra, dalle sue origini al 540 circa). milioni di anni fa). Pertanto, l’analisi della loro evoluzione è di grande importanza per comprendere la storia comune della vita e della Terra.

L’importanza dei lipidi fossili come biomarcatori

In linea di principio, i resti fossili di interi cianobatteri possono servire come indicatore della presenza di fotosintesi ossigenata nel passato geologico. Tuttavia, a causa dei pregiudizi conservativi e delle ambiguità nel riconoscimento delle cellule cianobatteriche fossili, i geochimici utilizzano piuttosto lipidi diagnostici fossilizzati, come il 2-metilhopane. I 2-metilhopanoidi (molecole madri non fossilizzate) sono prodotti dai batteri e, a differenza dei batteri stessi, possono essere fossilizzati e rilevati nelle rocce sedimentarie anche dopo centinaia di milioni di anni in buona qualità e in quantità corrispondenti alla loro origine occorrenza.

Tuttavia, recentemente sono emersi dubbi sull’idoneità del 2-metilhopane come biomarcatore per i cianobatteri: la scoperta del gene per la biosintesi dei lipidi ha rivelato che anche gli alfaproteobatteri sono in grado di produrre questi lipidi. Ciò significa che non è più possibile tracciare temporalmente i processi di produzione di ossigeno sulla Terra da parte del 2-metilhopane.

Nuovo approccio: analisi genetica completa combinata con nuove analisi dei sedimenti ad elevata purezza

Un gruppo di ricerca internazionale guidato da Yosuke Hoshino e Christian Hallmann, scienziati della Sezione 3.2 “Geochimica organica” della GFZ, e Benjamin Nettersheim della MARUM dell’Università di Brema, ha ora studiato sistematicamente quali organismi diversi dai cianobatteri possiedono i geni (abbreviati come SC e Geni HpnP) necessari per la produzione di 2-metilhopanoidi e quando hanno acquisito tali geni nel corso dell’evoluzione. In questo modo, il team è stato in grado di dimostrare che il lipide fossile 2-metilhopane può ancora essere utilizzato come chiaro biomarcatore dell’esistenza di cianobatteri per tempi risalenti a più di 750 milioni di anni fa.

Inoltre, i ricercatori hanno creato un registro integrato della produzione di 2-metilhopane nel corso della storia della Terra. A tale scopo, hanno combinato i loro dati molecolari con nuove analisi dei sedimenti effettuate in condizioni di elevata purezza.

“Il metodo che abbiamo proposto è in linea di principio applicabile a qualsiasi materia organica negli archivi geologici e ha un grande potenziale per tracciare l’evoluzione di diversi ecosistemi con una risoluzione temporale e spaziale molto più elevata rispetto a prima”, riassume Hoshino.

Metodologia I: Studio computazionale per l’analisi genetica

Per l’analisi delle relazioni genetiche, Hoshino ha cercato nei database disponibili al pubblico, contenenti milioni di sequenze di geni e proteine, organismi con i geni SC e HpnP. Sulla base di questo set di dati genetici, ha creato i cosiddetti alberi filogenetici, che forniscono informazioni su come i geni SC e HpnP sono stati trasferiti tra diversi organismi e se il trasferimento genico è avvenuto verticalmente tramite ereditarietà o orizzontalmente tra organismi evolutivamente non correlati. Inoltre, i ricercatori sono stati anche in grado di determinare quando hanno avuto luogo i trasferimenti genici individuali nella storia evolutiva dei geni, confrontando studi precedenti che utilizzavano la cosiddetta tecnica dell’orologio molecolare che tiene conto del tasso di mutazione del DNA e stima la sequenza temporale del gene Evoluzione.

Metodologia II: Nuovo tipo di preparazione del campione ultra-pulito

Inoltre, poiché i registri dei biomarcatori precambriani sono estremamente sensibili alla contaminazione, i ricercatori hanno utilizzato un metodo ultra-pulito per estrarre la materia organica dai nuclei dei sedimenti. I campioni geologici sotto forma di carote sono stati raccolti da diversi coautori provenienti da 16 paesi. Rappresentano diversi periodi geologici dal Paleoproterozoico (2,5 miliardi di anni fa) ad oggi. L’abbondanza relativa di 2-metilhopani è stata quindi misurata nella materia organica.

I risultati in dettaglio

Esistono molti batteri che possiedono sia i geni SC che HpnP, ma sono principalmente cianobatteri e alfaproteobatteri. Si scopre che ciascun gruppo ha acquisito i due geni in modo indipendente. Ciò è in contrasto con studi precedenti che concludevano che i cianobatteri acquisivano questi geni dagli alfaproteobatteri in una fase avanzata della loro evoluzione. Il nuovo studio ha inoltre rivelato che l’antenato comune dei cianobatteri possedeva già entrambi i geni più di 2,4 miliardi di anni fa, quando l’ossigeno cominciò ad accumularsi nell’atmosfera durante il cosiddetto Grande Evento di Ossidazione.

Al contrario, gli alfaproteobatteri acquisirono i geni SC e HpnP solo 750 milioni di anni fa. Prima di allora, i 2-metilhopanoidi venivano quindi prodotti solo dai cianobatteri. I ricercatori interpretano un aumento leggermente ritardato dei 2-metilhopani sedimentari avvenuto circa 600 milioni di anni fa come un segno della diffusione globale degli alfaproteobatteri, che potrebbero aver favorito il contemporaneo aumento evolutivo delle alghe eucariotiche.

Sintesi e prospettive

“I singoli metodi analitici menzionati sopra non sono nuovi, ma pochi ricercatori hanno tentato prima di eseguire analisi complete per SC e HpnP e di integrare dati genetici con dati di biomarcatori sedimentari, poiché ciò richiede la combinazione di due discipline scientifiche completamente diverse: biologia molecolare e biologia organica. geochimica”, dice Hoshino.

“La fonte sedimentaria del 2-metilhopane è stata oggetto di un lungo dibattito”, aggiunge Christian Hallmann. — “Questo nuovo studio non solo fornisce chiarezza sulla diagnostica dei 2-metilhopani e sul ruolo dei cianobatteri nelle epoche profonde; la sua metodologia offre una nuova strada per affinare la diagnostica, in teoria, di qualsiasi biomarcatore lipidico una volta che i geni della biosintesi sono stati conosciuto.”