Et genomisk bud på geobiologi

Forskere ved, at atmosfærisk ilt irreversibelt akkumulerede på Jorden for omkring 2,3 milliarder år siden, på et tidspunkt kendt som den store oxidationsbegivenhed, eller GOE. Før den tid var alt liv mikrobielt, og de fleste, hvis ikke alle, miljøer var anoxiske (dvs. indeholdt ingen ilt). Oxygen blev først produceret nogen tid før GOE gennem udviklingen af ​​en gruppe fotosyntetiske bakterier kendt som cyanobakterier. Frigivelse af ilt som et biprodukt af spaltning af vand for at tilegne sig elektroner, der skal aktiveres af lys, denne proces førte til dramatiske ændringer i både de biologiske og geokemiske processer på planetarisk skala. Til sidst, den fortsatte ophobning af ilt førte til en oxideret overflade, atmosfære, og hav, der består den dag i dag.

Udover at kaste lys over en grundlæggende ændring i Jordens klima, det er håbet, at forståelsen af ​​GOE vil hjælpe videnskabsmænd med at få indsigt i eukaryoternes fremkomst – cellulære organismer som os mennesker, hvor genetisk materiale er DNA i form af kromosomer indeholdt i en særskilt kerne. Eukaryoter kræver ilt for at producere steroler, en vigtig del af deres cellemembraner. Desuden, eukaryoter indeholder også mitokondrier, organeller stammer fra gamle bakterier, der bruger ilt til at generere energi ved hjælp af aerob respiration.

Der er i øjeblikket to tanker om, hvordan iltniveauet steg:Den første foreslår en lille indledende stigning på tidspunktet for GOE, med lave niveauer, men stabile, indtil de stiger igen for omkring 600 millioner år siden, nærmer sig moderne niveauer. Den anden antyder en mere oscillerende stigning med en større stigning umiddelbart efter GOE, og så et efterfølgende styrt, med niveauer kun stigende igen for 600 millioner år siden.

Mens geologer har været i stand til at etablere stadig mere præcise datoer for begyndelsen af ​​GOE gennem geokemiske analyser, evnen til at detektere forbigående variationer i iltniveauer efter GOE er mindre let detekteret i stenregistreringen. Imidlertid, i de sidste par årtier, det ville være rimeligt at sige, videnskaben har oplevet en "stor genomisk begivenhed", hvorigennem biologer, bevæbnet med evnen til at sekvensere gener i stigende grad, nu er de hårdt på arbejde med at sekventere alt, hvad de kan lægge hænderne på. Og det viser sig, at genomik kan indeholde svaret på, hvordan ilt fortsatte med at akkumulere,

Greg Fournier, en assisterende professor i geobiologi i Department of Earth, Atmosfæriske og planetariske videnskaber ved MIT, er ekspert i molekylær fylogenetik, opdager de evolutionære historier om gener og genomer inden for mikrobielle slægter på tværs af geologiske tidsskalaer.

En særlig aktuel interesse er påvisningen af ​​begivenheder i udviklingen af ​​mikrobielle metabolisme, der sandsynligvis stemmer overens med globale ændringer i Jordens biogeokemiske cyklusser, inklusive ilt.

Molekylær oxygen (O2) ændres let til en ekstremt reaktiv "fri radikal" form med en uparret elektron kaldet superoxid, et kemikalie, der er meget skadeligt for mange biologiske systemer. Mange organismer er beskyttet mod superoxider af superoxiddismutase-enzymer, der omdanner superoxid til hydrogenperoxid, det første skridt i at afgifte denne forbindelse. Det er til stede i de fleste eksisterende bakterier (dvs. dem, der er i live i dag), men antages oprindeligt at være dukket op som reaktion på det stadig mere iltrige miljø i GOE.

Fournier er ekspert i en proces kaldet horisontal genoverførsel, eller HGT. HGT er udvekslingen af ​​genetisk materiale mellem cellulære organismer på anden måde end ved regelmæssig "lodret" transmission af DNA fra forælder til afkom. Han mener, at HGT-beviser for ilt-relaterede gener som superoxiddismutase vil gøre ham i stand til at skelne mellem en stabil og en fluktuerende opbygning.

"Hvis oxygen steg og forblev stabilt, skulle vi se mange sådanne overførselsbegivenheder forbundet med superoxiddismutase, Fournier forklarer. "Hvis det steg og derefter faldt tilbage, ville vi forvente at se overførselsbegivenheder efterfulgt af forsvinden af ​​genet i forskellige slægter, da behovet for at beskytte mod ilt ville være ophørt."

Fordi genetiske data fra gamle uddøde slægter ikke er tilgængelige, medlemmer af Fourniers Lab bruger gensekvenser, der er udtaget på tværs af moderne organismer, bygge evolutionære træer kendt som fylogenier for at udforske, hvordan de relaterer til hinanden. Ved at sammenligne disse gentræer med de bedste bud på, hvordan de mikrobielle organismer er beslægtede, overførselshændelser kan blive opdaget, og deres relative timing udledes.

Abigail Caron, en postdoc i Fournier-gruppen, bruger en computerklynge i Massachusetts Green High Performance Computing Center (MGHPCC) til at køre genetiske analyser på forskellige bakterier på udkig efter tilfælde af horisontal genoverførsel, og kortlægning af disse begivenheder på tværs af mange slægter.

For kun et lille antal gensekvenser, Caron kan bruge en proces kaldet Ranger DTL (Rapid ANAlysis of Gene Family Evolution using Reconciliation DTL) køre på sin bærbare computer. Men søger at sammenligne og integrere genhistorier på tværs af op mod 8, 000 bakteriearter, indarbejde komplekse modeller af usikkerhed i individuelle træanalyser, som hun forsøger at gøre, er for intensiv til en enkelt computer. At have MGHPCC-klyngen at arbejde på giver hende mulighed for at køre flere analyser samtidigt på tværs af snesevis af processorer, gør sådanne højopløselige undersøgelser af disse geners historie mulige.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.