Wetenschappers weten dat atmosferische zuurstof zich ongeveer 2,3 miljard jaar geleden onomkeerbaar ophoopte op aarde, in een tijd die bekend staat als de Great Oxidation Event, of GOE. Voor die tijd was al het leven microbieel, en het meest, zo niet alle, omgevingen waren anoxisch (dat wil zeggen, bevatte geen zuurstof). Zuurstof werd enige tijd voor de GOE voor het eerst geproduceerd door de evolutie van een groep fotosynthetische bacteriën die bekend staat als cyanobacteriën. Zuurstof vrijgeven als bijproduct van het splitsen van water om elektronen te verkrijgen die door licht worden geactiveerd, dit proces leidde tot dramatische veranderingen in zowel de biologische als de geochemische processen op planetaire schaal. Eventueel, de voortdurende ophoping van zuurstof leidde tot een geoxideerd oppervlak, atmosfeer, en oceaan die tot op de dag van vandaag voortduren.

Naast het licht werpen op een fundamentele verandering in het klimaat op aarde, het is te hopen dat het begrijpen van de GOE wetenschappers zal helpen inzicht te krijgen in de opkomst van eukaryoten - cellulaire organismen zoals wij mensen, waarin genetisch materiaal DNA is in de vorm van chromosomen die zich in een afzonderlijke kern bevinden. Eukaryoten hebben zuurstof nodig om sterolen te produceren, een belangrijk onderdeel van hun celmembranen. Verder, eukaryoten bevatten ook mitochondriën, organellen stammen af ​​van oude bacteriën die zuurstof gebruiken om energie op te wekken met behulp van aerobe ademhaling.

Er zijn momenteel twee stromingen over hoe het zuurstofgehalte is gestegen:de eerste stelt een kleine initiële stijging voor ten tijde van de GOE, met niveaus laag maar stabiel totdat ze ongeveer 600 miljoen jaar geleden weer toenamen, het naderen van moderne niveaus. De tweede poneert een meer oscillerende stijging met een grotere stijging onmiddellijk na de GOE, en dan een volgende crash, met niveaus die pas 600 miljoen jaar geleden weer toenamen.

Hoewel geologen door middel van geochemische analyses steeds preciezere data voor het begin van de GOE hebben kunnen vaststellen, het vermogen om voorbijgaande variaties in zuurstofniveaus na de GOE te detecteren, wordt minder gemakkelijk gedetecteerd in het gesteente. Echter, in de afgelopen paar decennia, het zou eerlijk zijn om te zeggen, wetenschap heeft een "geweldig genomics-evenement" meegemaakt waardoor biologen, gewapend met het vermogen om steeds sneller genen te sequencen, merken dat ze nu hard aan het werk zijn om alles te rangschikken wat ze te pakken kunnen krijgen. En het blijkt dat genomics het antwoord kan bieden op hoe zuurstof zich bleef ophopen,

Greg Fournier, een assistent-professor geobiologie bij de afdeling Aarde, Atmosferische en planetaire wetenschappen aan het MIT, is een expert in moleculaire fylogenetica, het ontdekken van de evolutionaire geschiedenis van genen en genomen binnen microbiële lijnen over geologische tijdschalen.

Een bijzonder actueel belang is de detectie van gebeurtenissen in de evolutie van microbiële metabolismes die waarschijnlijk overeenkomen met wereldwijde veranderingen in de biogeochemische cycli van de aarde, inclusief zuurstof.

Moleculaire zuurstof (O2) verandert gemakkelijk in een extreem reactieve "vrije radicaal" vorm met een ongepaard elektron genaamd superoxide, een chemische stof die zeer schadelijk is voor veel biologische systemen. Veel organismen worden beschermd tegen superoxiden door superoxide-dismutase-enzymen die superoxide omzetten in waterstofperoxide, de eerste stap in het ontgiften van deze verbinding. Het is aanwezig in de meeste bestaande bacteriën (d.w.z. de bacteriën die vandaag de dag nog in leven zijn), maar wordt verondersteld oorspronkelijk te zijn verschenen als reactie op de steeds zuurstofrijkere omgeving van de GOE.

Fournier is een expert in een proces dat horizontale genoverdracht wordt genoemd, of HGT. HGT is de uitwisseling van genetisch materiaal tussen cellulaire organismen anders dan door regelmatige "verticale" overdracht van DNA van ouder naar nageslacht. Hij gelooft dat HGT-bewijs van zuurstofgerelateerde genen zoals superoxide-dismutase hem in staat zal stellen onderscheid te maken tussen een gestage en een fluctuerende opbouw.

"Als zuurstof zou stijgen en stabiel zou blijven, zouden we veel van dergelijke overdrachtsgebeurtenissen geassocieerd met superoxide-dismutase zien, " legt Fournier uit. "Als het steeg en vervolgens terugviel, zouden we overdrachtsgebeurtenissen verwachten, gevolgd door de verdwijning van het gen in verschillende geslachten, omdat de noodzaak om te beschermen tegen zuurstof zou zijn opgehouden."

Omdat genetische gegevens van oude uitgestorven geslachten niet beschikbaar zijn, leden van Fournier's Lab gebruiken gensequenties die zijn bemonsterd in moderne organismen, het bouwen van evolutionaire bomen die bekend staan ​​als fylogenieën om te onderzoeken hoe ze zich tot elkaar verhouden. Door deze genenbomen te vergelijken met de beste schattingen van hoe de microbiële organismen verwant zijn, overdrachtgebeurtenissen kunnen worden gedetecteerd, en hun relatieve timing afgeleid.

Abigail Caron, een postdoc in de Fournier Group, gebruikt een computercluster in het Massachusetts Green High Performance Computing Center (MGHPCC) om genetische analyses uit te voeren op verschillende bacteriën op zoek naar gevallen van horizontale genoverdracht, en het in kaart brengen van deze gebeurtenissen over vele geslachten.

Voor slechts een klein aantal gensequenties, Caron kan een proces gebruiken genaamd Ranger DTL (Rapid ANAlysis of Gene Family Evolution using Reconciliation DTL) dat op haar laptop wordt uitgevoerd. Maar proberen om gengeschiedenissen te vergelijken en te integreren over meer dan 8, 000 bacteriesoorten, complexe modellen van onzekerheid opnemen in individuele boomanalyses, zoals ze probeert te doen, is te intensief voor een enkele computer. Met het MGHPCC-cluster om aan te werken, kan ze meerdere analyses tegelijk uitvoeren over tientallen processors, dergelijke onderzoeken met hoge resolutie naar de geschiedenis van deze genen mogelijk maken.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.