斯坦福大学的研究人员发现古细菌中的蛋白质可以帮助测量古代海洋的温度

斯坦福大学的研究人员发现了一种蛋白质,可以使一种叫做古菌的顽强微生物在水温过高时,使它们的细胞膜变得坚韧。找到这些蛋白质可以帮助科学家们拼凑出数百万年前的地球气候状况,那时这些古细菌还在古老的海洋中游弋。

从加利福尼亚的佩斯卡德罗看太平洋。研究人员利用古菌和来自北太平洋的遗传数据集来识别蛋白质,以帮助测量古代海洋的温度。(图片来源:Patrick Tomasso / Unsplash)

“40年来,人们一直在寻找这些蛋白质,”斯坦福大学地球能源与能源学院地球系统科学副教授保拉·韦兰德(Paula Welander)说10月7日发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上的一项描述这一发现的研究报告的第一作者。

Welander说,有了这一发现,科学家们可以更准确地利用古细菌膜和海洋沉积物中保存的脂肪来估计海洋的历史温度。

封舱

在压力下,古生菌将它们通常双层的细胞膜融合成单层。用这种方法封住舱口会使薄膜变硬,薄膜主要是由脂肪构成的,当温度上升时,薄膜会变得松软——就像放在厨房柜台上的黄油一样。

一些古生菌通过添加环状物质进一步改变融合膜层的结构,使膜层更加紧密和坚固。从气候学的角度来看,这些适应性是有帮助的,因为这些膜连接结构——以及那些套环——很容易保存在海洋沉积物中。通过研究年轮的数量和种类,气候科学家可以测量这些古细菌生活在何时何地的地表水温。这项技术被用来作为侏罗纪时期海洋变暖的证据,可以追溯到一亿五千多万年前恐龙的全盛时期。

找到与这些结构有关的蛋白质,解决了科学家们从古脂质(他们称之为古温度代用指标)推断古代温度的一些不确定因素。

气候学家推测,古细菌中的一种,即“始祖鸟”(Thaumarchaeota),负责在开阔的海洋中发现环状物,并制造出脂质。但是,如果其他环境因素,如盐度和酸度,触发了其他海洋古菌群的环产生,就会打乱它们读取温度信号的方式。

根据这项新研究,气候学家可以松一口气了。通过最终确定起作用的蛋白质,斯坦福大学的研究人员表明,‘始祖鸟’确实是海洋水域中环状膜结构的主要来源,这支持了先前关于古代海洋表面温度的观点。

Welander说:“有了这些关键信息,我们就可以开始限制这种基于古细菌的古温度指标的不确定性了。”

追求的蛋白质

虽然直到20世纪70年代末才被发现,但古生菌已经被认为是构成了一个全新的第三生命领域,与之齐名的是我们更熟悉的细菌和真核生物——包括人类在内的多细胞生物。虽然古菌表面上与细菌相似,但它们在生化和繁殖方面的差异证明了它们的独特性。许多古生菌也是极端微生物,它们在像温泉这样的严酷环境中茁壮成长,而其他生物却无法生存。

为了找到制造环的蛋白质,斯坦福大学的研究小组用产自古细菌中最难在实验室中生长和操作的磺洛bus acidocaldarius进行了实验。

“这种生物是极少数拥有遗传系统的古生菌之一,我们可以在那里做我们喜欢做的工作,”Welander说。

她的团队开始研究是哪些蛋白质使酸唇藻能够将环状物附着在它的跨膜结构上。研究人员首先通过观察古菌的基因组发现了三种可能的基因。然后,他们在实验室中创造出缺少一个、两个或全部三个基因的突变体,最终,其中两个基因被证明是环状结构的组成部分。

这些基因在另一组与始祖鸟共享海洋环境的古菌中没有被发现,它们被认为是沉积物样本中环状结构的一个可能的额外来源。排除了这一因素后,由古温度代用指标得出的海洋温度估计值看起来更可靠。

把它全球

Welander说,科学家们现在可以把斯坦福大学研究小组的发现扩展到世界各地采样良好的海洋区域。她的团队通过北太平洋的基因数据集进行挑选,因此它只与特定的生物群落直接对话。例如,来自大西洋和地中海的其他数据集应该可以揭示“始祖鸟”是否也负责在这些地区发现有价值的分子化石。Welander说,这些古温度代用指标甚至可以扩展到湖泊和其他环境中,这为地球气候编年史打开了更多的篇章。

除了气候方面的发现,Welander指出,弄清古细菌蛋白质如何处理膜融合的神秘工作,可能会为潜在的现实世界应用(如药物发现和材料科学)揭示引人注目的新生物化学。

“微生物发明了各种奇怪的生物化学来做各种奇怪的反应,”Welander说。“任何时候,只要你能将这种可能性扩大,就能从基础科学的角度来看,这真的很令人兴奋。”

Welander也是斯坦福Bio-X的成员。其他共同作者包括博士后研究员曾志瑞和研究科学家魏胡晨。其他合著者来自俄克拉荷马大学伊利诺伊大学香槟分校麻省理工学院

这项研究由西蒙斯基金会、国家科学基金会和美国能源部资助。

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新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.stanford.edu/2019/10/07/archaea-hold-clues-ancient-ocean-temperatures/

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