Archaea har spor til gamle havtemperaturer

Løsning af et årtier gammelt mysterium, Stanford -forskere har opdaget proteiner, der gør det muligt for hårdføre mikrober kaldet archaea at stramme deres membraner, når vandet er for varmt. At finde disse proteiner kunne hjælpe forskere med at sammensætte tilstanden af ​​Jordens klima, der går millioner af år tilbage til, da disse arkæer sejlede i de gamle oceaner.

"Folk har ledt efter disse proteiner i 40 år, "sagde Paula Welander, en lektor i jordsystemvidenskab ved Stanford University's School of Earth, Energi- og miljøvidenskab (Stanford Earth), og hovedforfatter af en undersøgelse, der beskriver fundet fundet 7. oktober i Procedurer fra National Academy of Sciences .

Med denne opdagelse kan forskere mere præcist bruge lipider - eller fedtstoffer - der findes i arkæeal membraner og bevaret i havets sedimenter til at estimere historiske havtemperaturer, Sagde Welander.

Lægger ned i lugerne

Når du er under stress, archaea smelter deres normalt dobbeltlagede cellemembraner i et enkelt lag. Lægning af lugerne på denne måde opstrammer membranerne, hvilken, hovedsagelig lavet af fedt, kan blive for floppy, når temperaturen stiger - som smør efterladt på en køkkenbord.

Nogle archaea ændrer yderligere de strukturer, der smelter deres membranlag ved at tilføje ringlignende stykker, der gør membranerne endnu mere kompakte og robuste. Disse tilpasninger er nyttige ud fra et klimatologisk perspektiv, da membranforbindende strukturer-sammen med disse sæt ringe-let bevares i marine sedimenter. Ved at undersøge antallet og slags ringe, klimaforskere kan måle overfladevandets temperaturer, hvor og hvornår disse arkæer levede. Denne teknik er blevet brugt som bevis på de varmere hav i juraperioden, går mere end 150 millioner år tilbage til dinosaurernes storhedstid.

At finde de proteiner, der er involveret i at lave disse strukturer, løser nogle usikkerheder, forskere har haft om at udlede gamle temperaturer fra archaeal lipider - det, de kalder paleotemperature proxies.

Klimatologer har formodet, at en enkelt gruppe af archaea, Thaumarchaeota, er ansvarlige for at lave lipider med ringe, der findes i åbne oceaner, og at de tilføjer disse ringe som reaktion på vandtemperaturændringer. Men hvis andre miljøfaktorer, såsom saltindhold og surhed, udløser ringproduktion i andre marine arkeiske grupper, det kunne forvride, hvordan de læste temperatursignalerne.

Ifølge den nye undersøgelse, klimatologer kan ånde lettet op. Ved endelig at negle proteinerne i spil, Stanford-forskerne viser, at Thaumarchaeota faktisk er den dominerende kilde til de ringbærende membranstrukturer i havvand, understøtter tidligere ideer om gamle havoverfladetemperaturer.

"Med de vigtige oplysninger nu i hånden, vi kan begynde at begrænse noget af usikkerheden om denne særlige arkæabaserede paleotemperatur-proxy, "Sagde Welander.

Forfølge proteiner

Selvom det ikke blev identificeret før i slutningen af ​​1970'erne, archaea er siden blevet anerkendt som et helt nyt tredje livsområde, sammen med de mere velkendte bakterier og eukaryoter-flercellede organismer, herunder mennesker. Selvom archaea overfladisk ligner bakterier, biokemiske og reproduktive forskelle vidner om deres egenart. Mange archaea er også ekstremofile, som trives i stramme miljøer som varme kilder, hvor andet liv ikke kan overleve.

For at finde de ringfremstillende proteiner, Stanford -teamet eksperimenterede med Sulfolobus acidocaldarius, blandt de mindst vanskelige archaea at vokse og manipulere i et laboratorium.

"Denne organisme er en af ​​de meget få arkeaer, der har et genetisk system, hvor vi kan udføre den slags arbejde, vi kan lide at udføre, "Sagde Welander.

Hendes team satte sig for at finde ud af, hvilke proteiner, der gjorde det muligt for S. acidocaldarius at fastgøre ringe til dets membranstrækkende strukturer. Forskerne fandt først tre mulige gener ved at se på tværs af genomerne i archaea, der gør og ikke konstruerer ringe. De skabte derefter mutanter i laboratoriet uden en, to eller alle tre gener og, ultimativt, to af disse gener viste sig at være integrerede i ringstrukturerne.

Disse gener formåede ikke at dukke op i en anden gruppe af archaea, der deler marine miljøer med Thaumarchaeota og blev betragtet som en mulig, yderligere kilde til ringede strukturer i sedimentprøver. Med dette bidrag udelukket, havtemperaturestimaterne afledt af den pågældende paleotemperature -proxy ser mere robuste ud.

Tager det globalt

Welander sagde, at forskere nu kan se på at udvide Stanford-teamets resultater til godt udtagne havområder verden over. Hendes team hentede et genetisk datasæt fra det nordlige Stillehav, og det taler derfor kun direkte til den pågældende biom. Andre datasæt fra Atlanterhavet og Middelhavet, for eksempel, skulle afsløre, om Thaumarchaeota også er ansvarlig for at nedlægge de molekylære fossiler af interesse i disse områder. Disse paleotemperatur -proxies kan endda udvides til søer og andre miljøer, Welander sagde, åbner endnu flere sider op i Jordens klimakronik.

Går ud over de klimatologiske aspekter af fundene, Welander bemærkede, at det kunne afsløre overbevisende ny biokemi til potentielle virkelige anvendelser at finde ud af, hvordan de arkealiske proteiner håndterer det uhyggelige arbejde med membransmeltning. såsom opdagelse af stoffer og materialevidenskab.

"Mikrober opfinder alle former for underlig biokemi for at udføre alle slags mærkelige reaktioner, "Sagde Welander." Når som helst kan du udvide den kemi om, hvad der er muligt, det er virkelig spændende ud fra et grundlæggende videnskabeligt perspektiv. "