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As cianobactérias são uma espécie chave na história da Terra, pois introduziram o oxigênio atmosférico pela primeira vez. A análise da sua evolução fornece, portanto, informações importantes sobre a formação dos ecossistemas aeróbicos modernos. Durante muito tempo, um certo tipo de lípido fóssil, os chamados 2-metilhopanos, foi considerado um importante biomarcador para cianobactérias em sedimentos, alguns dos quais com centenas de milhões de anos. No entanto, isto ficou em dúvida quando se descobriu que não só as cianobactérias, mas também as alfaproteobactérias são geneticamente capazes de produzir estes lípidos.
Uma equipe de pesquisa internacional liderada por Yosuke Hoshino do Centro Alemão de Pesquisa para Geociências GFZ e Benjamin Nettersheim do MARUM – Centro de Ciências Ambientais Marinhas da Universidade de Bremen estudou agora a diversificação filogenética e distribuição dos genes – incluindo HpnP – que são responsáveis pela síntese dos lipídios parentais dos 2-metilhopanos: Os pesquisadores decifraram quando esses genes foram adquiridos por certos grupos de organismos. Eles conseguiram mostrar que o HpnP provavelmente já estava presente no último ancestral comum das cianobactérias há mais de dois bilhões de anos, enquanto o gene só apareceu nas alfaproteobactérias há cerca de 750 milhões de anos. Para os tempos anteriores, os 2-metilhopanos podem, portanto, servir como um biomarcador claro para cianobactérias produtoras de oxigênio.
O estudo, que já foi publicado na revista Ecologia e Evolução da Naturezamostra como a genética, em interação com a sedimentologia, a paleobiologia e a geoquímica, pode melhorar o valor diagnóstico dos biomarcadores e refinar a reconstrução dos primeiros ecossistemas.
Antecedentes: A importância das cianobactérias na história da Terra
As cianobactérias desempenharam um papel crucial na transformação da Terra do seu estado inicial livre de oxigénio para um sistema moderno e rico em oxigénio, no qual a vida cada vez mais complexa é possível. As cianobactérias foram provavelmente o único grupo relevante de organismos que converteram substâncias inorgânicas em orgânicas (os chamados produtores primários) e produziram oxigênio durante longos períodos do Pré-cambriano (os primeiros quatro bilhões de anos da história da Terra, desde o seu início até cerca de 540). milhões de anos atrás). Portanto, a análise de sua evolução é de grande importância para a compreensão da história comum da vida e da Terra.
A importância dos lipídios fósseis como biomarcadores
Em princípio, os restos fósseis de cianobactérias inteiras podem servir como um indicador da presença de fotossíntese oxigenada no passado geológico. No entanto, devido a preconceitos de preservação e ambiguidades no reconhecimento de células fósseis de cianobactérias, os geoquímicos preferem usar lipídios de diagnóstico fossilizados, como 2-metilhopanos. Os 2-metilhopanóides (moléculas parentais não fossilizadas) são produzidos pelas bactérias e – em contraste com as próprias bactérias – podem ser fossilizados e detectados em rochas sedimentares mesmo depois de centenas de milhões de anos em boa qualidade e em quantidades correspondentes ao seu original. ocorrência.
No entanto, recentemente surgiram dúvidas sobre a adequação do 2-metilhopano como biomarcador para cianobactérias: a descoberta do gene da biossíntese lipídica revelou que as alfaproteobactérias também são capazes de produzir estes lípidos. Isto significa que não é mais possível rastrear temporariamente os processos de produção de oxigênio na Terra por 2-metilhopanos.
Nova abordagem: análise genética abrangente combinada com novas análises de sedimentos de alta pureza
Uma equipe de pesquisa internacional liderada por Yosuke Hoshino e Christian Hallmann, cientistas da Seção 3.2 “Geoquímica Orgânica” do GFZ, e Benjamin Nettersheim do MARUM da Universidade de Bremen investigou sistematicamente quais organismos além das cianobactérias possuem os genes (abreviados como SC e Genes HpnP) necessários para a produção de 2-metilhopanóides, e quando adquiriram esses genes durante o curso da evolução. Desta forma, a equipa conseguiu mostrar que o lípido fóssil 2-metilhopano ainda pode ser utilizado como um biomarcador claro da existência de cianobactérias em tempos que remontam a mais de 750 milhões de anos.
Além disso, os investigadores criaram um registo integrado da produção de 2-metilhopano ao longo da história da Terra. Para isso, combinaram seus dados moleculares com novas análises de sedimentos realizadas em condições de alta pureza.
“O método que propomos é, em princípio, aplicável a qualquer matéria orgânica em arquivos geológicos e tem grande potencial para traçar a evolução de diferentes ecossistemas com resolução temporal e espacial muito maior do que antes”, resume Hoshino.
Metodologia I: Estudo computacional para análise genética
Para a análise das relações genéticas, Hoshino pesquisou bases de dados publicamente disponíveis, contendo milhões de sequências de genes e proteínas, para organismos com os genes SC e HpnP. Com base neste conjunto de dados genéticos, ele criou as chamadas árvores filogenéticas, que fornecem informações sobre como os genes SC e HpnP foram transferidos entre diferentes organismos e se a transferência genética ocorreu verticalmente por herança ou horizontalmente entre organismos evolutivamente não relacionados. Além disso, os pesquisadores também foram capazes de determinar quando as transferências individuais de genes ocorreram na história evolutiva dos genes, comparando estudos anteriores que utilizaram a chamada técnica do relógio molecular, que leva em conta a taxa de mutação do DNA e estima a linha do tempo para o gene. evolução.
Metodologia II: Novo tipo de preparação de amostras ultralimpas
Além disso, como os registros de biomarcadores pré-cambrianos são extremamente sensíveis à contaminação, os pesquisadores usaram um método ultralimpo para extrair matéria orgânica dos núcleos de sedimentos. As amostras geológicas em forma de núcleos foram coletadas por diversos coautores de 16 países. Representam diferentes períodos geológicos desde o Paleoproterozóico (há 2,5 mil milhões de anos) até ao presente. A abundância relativa de 2-metilhopanos foi então medida na matéria orgânica.
Os resultados em detalhes
Existem muitas bactérias que possuem genes SC e HpnP, mas são principalmente Cyanobacteria e Alphaproteobacteria. Descobriu-se que cada grupo adquiriu os dois genes independentemente. Isto contrasta com estudos anteriores que concluíram que as cianobactérias adquiriram estes genes de Alphaproteobacteria numa fase tardia da sua evolução. O novo estudo revelou ainda que o ancestral comum das cianobactérias já possuía ambos os genes há mais de 2,4 mil milhões de anos, quando o oxigénio começou a acumular-se na atmosfera durante o chamado Grande Evento de Oxidação.
Em contraste, as Alphaproteobacteria adquiriram os genes SC e HpnP há apenas 750 milhões de anos. Antes disso, os 2-metilhopanóides eram produzidos apenas por cianobactérias. Os investigadores interpretam um aumento ligeiramente retardado de 2-metilhopanos sedimentares há cerca de 600 milhões de anos como um sinal da propagação global de Alphaproteobacteria, o que pode ter favorecido o aumento evolutivo simultâneo de algas eucarióticas.
Resumo e perspectivas
“Os métodos analíticos individuais mencionados acima não são novos, mas poucos pesquisadores tentaram realizar análises abrangentes para SC e HpnP e integrar dados genéticos com dados de biomarcadores sedimentares, pois isso requer a combinação de duas disciplinas científicas completamente diferentes – biologia molecular e biologia orgânica. geoquímica”, diz Hoshino.
“A fonte dos 2-metilhopanos sedimentares tem sido um tema de longo debate”, acrescenta Christian Hallmann. — “Este novo estudo não apenas fornece clareza sobre o diagnóstico de 2-metilhopanos e o papel das cianobactérias em tempo profundo; sua metodologia oferece um novo caminho para refinar o diagnóstico de, em teoria, qualquer biomarcador lipídico, uma vez que os genes da biossíntese são conhecido.”
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