Een decennia oud mysterie oplossen, Onderzoekers van Stanford hebben eiwitten ontdekt die ervoor zorgen dat sterke microben, archaea genaamd, hun membranen harder kunnen maken als het water te warm is. Het vinden van deze eiwitten zou wetenschappers kunnen helpen om de toestand van het klimaat op aarde samen te stellen die miljoenen jaren teruggaat tot toen die archaea door de oude oceanen voeren.

"Mensen zijn al 40 jaar op zoek naar deze eiwitten, " zei Paula Welander, een universitair hoofddocent aardsysteemwetenschap aan de School of Earth van Stanford University, Energie- en milieuwetenschappen (Stanford Earth), en hoofdauteur van een studie die de bevinding beschrijft, gepubliceerd op 7 oktober in Proceedings van de National Academy of Sciences .

Met deze bevinding kunnen wetenschappers de lipiden - of vetten - gevonden in archaeale membranen en bewaard in de sedimenten van de oceaan nauwkeuriger gebruiken om historische oceaantemperaturen te schatten, zei Wellander.

De luiken dichtmaken

Bij stress, archaea smelten hun meestal dubbellaagse celmembranen samen tot een enkele laag. Door de luiken op deze manier af te sluiten, worden de membranen steviger, die, meestal gemaakt van vet, kan te slap worden als de temperatuur stijgt, zoals boter op een aanrecht.

Sommige archaea wijzigen de structuren die hun membraanlagen samensmelten verder door ringachtige stukken toe te voegen die de membranen nog compacter en steviger maken. Deze aanpassingen zijn nuttig vanuit een klimatologisch perspectief, omdat de membraanverbindende structuren - samen met die sets ringen - gemakkelijk kunnen worden bewaard in mariene sedimenten. Door het aantal en de soorten ringen te onderzoeken, klimaatwetenschappers kunnen de oppervlaktewatertemperatuur meten waar en wanneer die archaea leefden. Deze techniek is gebruikt als bewijs van de warmere zeeën van het Jura-tijdperk, die meer dan 150 miljoen jaar teruggaat tot de hoogtijdagen van de dinosauriërs.

Het vinden van de eiwitten die betrokken zijn bij het maken van die structuren, lost enkele onzekerheden op die wetenschappers hadden over het afleiden van oude temperaturen uit archaeale lipiden - wat ze de paleotemperatuur-proxy's noemen.

Klimatologen hebben aangenomen dat een enkele groep archaea, de Thaumarchaeota, zijn verantwoordelijk voor het maken van lipiden met ringen die in open oceanen worden gevonden en dat ze die ringen toevoegen als reactie op veranderingen in de watertemperatuur. Maar als andere omgevingsfactoren zoals zoutgehalte en zuurgraad ringproductie in andere mariene archaeale groepen veroorzaken, dat zou kunnen klauteren hoe ze de temperatuursignalen lezen.

Volgens de nieuwe studie klimatologen kunnen opgelucht ademhalen. Door eindelijk de eiwitten in het spel vast te spijkeren, de Stanford-onderzoekers laten zien dat Thaumarchaeota inderdaad de dominante bron is van de ringdragende membraanstructuren in oceaanwateren, ondersteuning van eerdere ideeën over oude zee-oppervlaktetemperaturen.

"Met die kritieke informatie nu in de hand, we kunnen beginnen met het inperken van een deel van de onzekerheid over deze specifieke archaea-gebaseerde paleotemperatuur-proxy, ' zei Wellander.

Het nastreven van de eiwitten

Hoewel pas eind jaren zeventig geïdentificeerd, archaea zijn sindsdien erkend als een geheel nieuw derde domein van het leven, naast de meer bekende bacteriën en eukaryoten – meercellige organismen, inclusief mensen. Hoewel archaea oppervlakkig op bacteriën lijkt, biochemische en reproductieve verschillen getuigen van hun uniciteit. Veel archaea zijn ook extremofielen, die gedijen in sobere omgevingen zoals warmwaterbronnen waar ander leven niet kan overleven.

Om de ringvormende eiwitten te vinden, het Stanford-team experimenteerde met Sulfolobus acidocaldarius, een van de minst moeilijke archaea om te groeien en te manipuleren in een laboratorium.

"Dit organisme is een van de weinige archaea met een genetisch systeem waar we het soort werk kunnen doen dat we graag doen, ' zei Wellander.

Haar team ging op zoek naar welke eiwitten S. acidocaldarius in staat stelden om ringen te hechten aan zijn membraanoverspannende structuren. De onderzoekers vonden eerst drie mogelijke genen door over de genomen van archaea te kijken die wel en geen ringen construeren. Vervolgens creëerden ze mutanten in het lab die er geen hadden, twee of alle drie de genen en, uiteindelijk, twee van deze genen bleken een integraal onderdeel van de ringstructuren te zijn.

Die genen kwamen niet voor in een andere groep archaea die mariene omgevingen delen met Thaumarchaeota en werden als een mogelijke, extra bron van geringde structuren in sedimentmonsters. Met die bijdrage uitgesloten, de schattingen van de zeetemperatuur afgeleid van de paleotemperatuur-proxy in kwestie zien er robuuster uit.

Wereldwijd nemen

Welander zei dat wetenschappers nu kunnen onderzoeken of de bevindingen van het Stanford-team kunnen worden uitgebreid naar goed bemonsterde mariene regio's over de hele wereld. Haar team zocht uit een genetische dataset uit de noordelijke Stille Oceaan, en daarom spreekt het alleen rechtstreeks tot dat specifieke bioom. Andere datasets uit de Atlantische Oceaan en de Middellandse Zee, bijvoorbeeld, zou moeten uitwijzen of Thaumarchaeota ook verantwoordelijk is voor het vastleggen van de moleculaire fossielen die in die gebieden van belang zijn. Deze paleotemperature-proxy's kunnen zelfs worden uitgebreid naar meren en andere omgevingen, Wellander zei, het openen van nog meer pagina's in de klimaatkronieken van de aarde.

Verder gaan dan de klimatologische aspecten van de bevindingen, Welander merkte op dat het uitzoeken hoe de archaeale eiwitten omgaan met het mysterieuze werk van membraanfusie, overtuigende nieuwe biochemie zou kunnen onthullen voor potentiële toepassingen in de echte wereld, zoals het ontdekken van geneesmiddelen en materiaalwetenschap.

"Microben bedenken allerlei rare biochemie om allerlei rare reacties uit te voeren, Welander zei. "Elke keer dat je die chemie van wat mogelijk is kunt uitbreiden, het is echt spannend vanuit een fundamenteel wetenschappelijk perspectief."