Mekanismer for bevaring af blødt væv og protein i Tyrannosaurus rex

Den eksisterende forestilling om, at blødvævsarkitekturer og native proteiner kan bevares på tværs af geologisk tid, er kontroversiel, da metoder til sådan konservering stadig skal undersøges og veldefineres. I en ny undersøgelse, Elizabeth M. Boatman og kolleger ved ingeniørafdelingerne, Palæontologi, Biologisk Videnskab, Materialer og teknik og den avancerede lyskilde i USA, testede tværbindingsmekanismer for bevaret vævsarkitektur. De brugte to ikke-enzymatiske, strukturelle proteinmekanismer, Fenton kemi og glycation for at demonstrere deres mulige bidrag til at bevare blodkarstrukturer genvundet fra den kortikale knogle af Tyrannosaurus rex ( T. rex ; USNM 555 000, tidligere MOR 555). De demonstrerede endogeniteten (tilfældigheden) af de fossile karvæv og tilstedeværelsen af ​​type I kollagen i de yderste karlag ved hjælp af billeddannelse, diffraktion, spektroskopi og immunhistokemi.

De udledte data fra synkrotron Fourier transformation infrarød (SR-FTIR) undersøgelser af T. rex kar til at analysere deres tværbindingskarakter og sammenlignede dem med kontrolkyllingeprøver behandlet på samme måde med de to teknikker. Forskerne leverede røntgenmikrosondeanalyser af den kemiske tilstand af det fossile væv for at understøtte karbevaring af T. rex , som observeret ved hjælp af undersøgelsesmetoderne. Boatman et al. foreslår, at de observerede vævsstabiliserende tværbindinger vil spille en vigtig rolle for at bevare yderligere mikrovaskulært væv i skeletelementer fra den mesozoiske æra. Værket er nu udgivet på Videnskabelige rapporter .

Palæontologer er kommet sig hule, bøjelige og gennemsigtige karlignende strukturer fra skeletelementer af fossile hvirveldyr, herunder ikke-fugle dinosaurer og anvendte mange teknikker til at identificere deres endogene proteiner såsom kollagen og elastin. Forskere havde brugt massespektroskopi-sekventering til at identificere isolerede kar, der blev genvundet fra ikke-fugle dinosaurer for at understøtte tilstedeværelsen af ​​hvirveldyr-specifikke vaskulære proteiner i fortiden. For eksempel, de dokumenterede det kendetegnende 67-nanometer-båndmønster typisk for type I kollagen efter frigivelse af proteinet via demineralisering, efterfulgt af yderligere undersøgelser for at verificere tilstedeværelsen af ​​type I kollagen i vaskulære kanaler af en sauropod dinosaur ribben fra omkring 190 millioner år siden ved hjælp af FTIR og Raman analyse. Mens forskerhold havde udviklet en række metoder til at forklare uventet konservering, eksperimentel afprøvning af foreslåede mekanismer skal udføres rutinemæssigt og bredt.

I nærværende arbejde, Boatman et al. identificeret og testet det mulige bidrag fra et sæt eksperimenter til at bevare den kar-lignende arkitektur af den kompakte knogle af en Tyrannosaurus rex fossil. De forventer, at arbejdet lægger et muligt grundlag for yderligere undersøgelser af bevarelse af blødt væv, der er genvundet fra mesozoikum eller nyere fossiler. Væggene i hvirveldyrs blodkar indeholder tre forskellige lag, herunder tunica intima (inderst), tunica media og tunica externa (yderste lag). På grund af deres unikke molekylære sammensætninger, forskere kan differentiere bestanddelene morfologisk og kemisk. For eksempel, elastin er et spiralformet protein specifikt for hvirveldyr, der yder modstand mod trykændringer i de vaskulære vægge. Kollagen er også hvirveldyr-specifik og udgør en overvejende brøkdel af blodkar til at tjene som deres strukturelle fundament. Da elastin og kollagen indeholder kendetegn, der kan identificeres ved den molekylære struktur og sammensætning, Boatman et al. foreslået at studere de to proteiner i de resterende dinosauriske kar.

Forskerholdet antog en hypotese om bidraget fra tidlige diagenetiske (fysiske og kemiske) processer til overlevelsen af T. rex mikrovaskulatur fra dyb tid. For at teste dette, Boatman et al. udførte først SR-FTIR-analyse for at forstå tværbindingskarakter i deres kontrolprøve af kylling type I kollagenprotein. De inducerede tværbindinger i proteinet ved hjælp af Fenton-reagens eller ion-katalyserede glykeringsteknikker efterfulgt af brugen af ​​transmission SR-FTIR til at teste hvert væv. De observerede, at de intramolekylære tværbindinger dannet i kyllingevævet var umodne på grund af deres manglende eksponering for veje, der er nødvendige for at danne intermolekylære tværbindinger eller avancerede glycation slutprodukter (AGE'er).

For at teste T. rex kararkitektur for endogene proteiner, videnskabsmændene befriede tre typer fartøjer fra en demineraliseret T. rex kortikal knogle. De brugte derefter synlig lysmikroskopi (VLM) til at karakterisere dem som:

1. Stor, brunfarvede bøjelige netværk
2. Fragmenterede uigennemsigtige strukturer
3. Fragmenterede semi-gennemsigtige strukturer

De koblede energidispersiv røntgenspektroskopi (EDS) med scanningelektronmikroskopi (SEM) samt mikrofokuseret røntgenfluorescens (µXRF) spektroskopi for at bekræfte forskellene observeret i vævsprøverne med varierende sammensætning. Holdet fokuserede på de bøjelige karnetværk på grund af deres lignende eksisterende knoglevæv, som formodentlig opretholdt minimal ændring.

Når Boatman et al. studerede det bøjelige T. rex fartøjer, der bruger SEM, de observerede fibrøse strukturer på tværs af deres yderste overflade. De kombinerede træk var i overensstemmelse med dem, der blev observeret i eksisterende kar frigivet fra kortikal knogle og med fibrillært kollagen. Holdet analyserede SR-FTIR-spektret af T. rex kar til at detektere de dominerende bånd observeret i både behandlede eksisterende og gamle væv. Især amid I-båndet for dinosaurvævet var lokaliseret ved en overvejende a-helix-struktur i overensstemmelse med modent (tværbundet) fibrillært kollagen. Forskerholdet gennemførte derefter immunhistokemi (IHC) undersøgelser for at identificere proteinspecifikke epitoper af strukturproteinerne elastin og type I kollagen.

Forskerne rejste antistoffer mod alle komponenter i den eksisterende vaskulatur for at observere positiv binding i dinosaurens karvægge. Ved hjælp af et fluorescerende filter, de fangede lokaliseringen og fordelingen af ​​antistof-antigen-komplekser (grøn fluorescens). Dinosaurkarrenes reaktion på actin-antistoffer viste sig som et tyndt og jævnt fordelt lag. Antistoffer rejst mod muskelproteinet tropomyosin optrådte med større intensitet på karvæggene. Dinosaurkarrene indikerede også tilstedeværelsen af ​​type I kollagen antistoffer, selvom elastin-antistoffer viste større intensitet. De to proteiner var gode mål for fossile undersøgelser på grund af høj evolutionær bevaring i visse regioner. De observerede ikke reaktivitet af dinosauriske kar til antistoffer mod bakteriel peptidoglycan (hvilket indikerer ingen mikrobiel kontaminering).

Boatman et al. testet T. rex karstrukturer for at forstå, om post-mortem strukturel proteintværbinding øgede deres modstand mod nedbrydning eller diagenetiske ændringer. For det, de fokuserede på fibrillært kollagen ved hjælp af SR-FTIR transmissionsspektre for at foreslå post-mortem tværbinding under processen med vævsarkitekturbevarelse. Disse spektrale træk blev tidligere registreret, men ikke diskuteret med tidlige jura-sauropodomorfer og kridtknogler. Forskerne behandlede derefter bulk T. rex væv med natriumborhydrid (NaBH ₄ ) for at reducere carbonylgrupper i umodne tværbindinger og øge den ikke-peptid-carbonylabsorptionsintensitet. Kulhydratoptagelsesbåndene i T. rex væv var i overensstemmelse med AGE'er (avancerede glykeringsslutprodukter). Efter behandling, dataene tydede på det T. rex væv besad både intramolekylære og intermolekylære tværbindingstyper.

Da forskerne kortlagde grundstofferne i vævet ved hjælp af µXRF, de afslørede jern (Fe) som det eneste metal koncentreret i dinosaurens karvæv, mens de registrerede barium (Ba) i de halvgennemsigtige karafstøbninger. Ved hjælp af udvidet mikrorøntgenabsorption nær-kant strukturmikroskopi, de iagttog Fe ³⁺ indlejret i karvæggene. Forskerne viste tilstedeværelsen af ​​fint krystallinsk goethit (α-FeO(OH)); et mineral, der tidligere er påvist i vaskulært væv udvundet fra to forskellige dinosaurprøver.

På denne måde Elizabeth M. Boatman og kolleger demonstrerede tilstedeværelsen af ​​endogene proteiner af hvirveldyrarter i dinosaurstrukturer i blødt væv. Dette inkluderede tilstedeværelsen af ​​type I-kollagen i overensstemmelse med vaskulaturen i eksisterende hvirveldyr. Dataene understøttede en to-trins mekanisme, der stabiliserede biomolekyler og kararkitektur efter organismens død, at fremme deres bevaring inden for skeletelementer. Holdet antog, at jern-medierede Fenton- og glykationsveje kan have bidraget til forbedret T. rex tissue longevity of elastin and fibrillar collagen within and around blood vessels. Both processes could be catalyzed by transition metal species such as iron to define the central role of Fe observed in structural protein crosslinking. The formation of iron oxyhydroxide precipitates in the work fully supported this idea.

The data represent the first comprehensive chemical and molecular characterization of vascular tissues recovered from T. rex specimen USNM 555000. The results shed light on the possible processes of fossilization at the molecular level. The researchers envision the demonstrated techniques will contribute to the development of comprehensive mechanisms to consistently retain vascular tissue survival from deep time.

© 2019 Science X Network