• Home
  • Química
  • Astronomía
  • Energía
  • Naturaleza
  • Biología
  • Física
  • Electrónica
  •  science >> Ciencia >  >> Naturaleza
    Una visión genómica de la geobiología

    Una burbuja de oxígeno emerge de una estera de cianobacterias que crece en el laboratorio. Crédito:Tanja Bosak

    Los científicos saben que el oxígeno atmosférico se acumuló irreversiblemente en la Tierra hace unos 2.300 millones de años, en un momento conocido como el Gran Evento de Oxidación, o GOE. Antes de ese momento, toda la vida era microbiana, y la mayoría, si no todos, los ambientes eran anóxicos (es decir, no contenía oxígeno). El oxígeno se produjo por primera vez algún tiempo antes del GOE a través de la evolución de un grupo de bacterias fotosintéticas conocidas como cianobacterias. Liberar oxígeno como subproducto de la división del agua con el fin de adquirir electrones para ser energizados por la luz. este proceso condujo a cambios dramáticos en los procesos biológicos y geoquímicos a escala planetaria. Finalmente, la continua acumulación de oxígeno condujo a una superficie oxidada, atmósfera, y océano que persiste hasta el día de hoy.

    Además de arrojar luz sobre un cambio fundamental en el clima de la Tierra, Se espera que la comprensión del GOE ayude a los científicos a comprender mejor el surgimiento de los eucariotas, organismos celulares como los humanos. en el que el material genético es ADN en forma de cromosomas contenidos dentro de un núcleo distinto. Los eucariotas necesitan oxígeno para producir esteroles. una parte importante de sus membranas celulares. Es más, eucariotas también contienen mitocondrias, orgánulos descendientes de bacterias antiguas que utilizan oxígeno para generar energía mediante la respiración aeróbica.

    Actualmente existen dos escuelas de pensamiento con respecto a cómo aumentaron los niveles de oxígeno:la primera propone un pequeño aumento inicial en el momento del GOE, con niveles bajos pero estables hasta volver a aumentar hace unos 600 millones de años, acercándose a los niveles modernos. El segundo postula un aumento más oscilatorio con un aumento mayor inmediatamente después del GOE, y luego un bloqueo posterior, con niveles que solo aumentaron nuevamente hace 600 millones de años.

    Si bien los geólogos han podido establecer fechas cada vez más precisas para el inicio del GOE a través de análisis geoquímicos, la capacidad de detectar variaciones transitorias en los niveles de oxígeno después del GOE se detectan con menos facilidad en el registro de rocas. Sin embargo, en las últimas dos décadas, sería justo decir, la ciencia ha experimentado un "gran evento genómico" a través del cual los biólogos, armado con la capacidad de secuenciar genes cada vez más rápidamente, ahora se encuentran trabajando duro para secuenciar todo lo que pueden conseguir. Y resulta que la genómica puede tener la respuesta a cómo el oxígeno continuó acumulándose,

    Greg Fournier, profesor asistente de geobiología en el Departamento de Tierra, Ciencias Atmosféricas y Planetarias en MIT, es un experto en filogenia molecular, descubriendo las historias evolutivas de genes y genomas dentro de linajes microbianos a través de escalas de tiempo geológicas.

    Un interés actual particular es la detección de eventos en la evolución de los metabolismos microbianos que probablemente se alineen con los cambios globales en los ciclos biogeoquímicos de la Tierra. incluido el oxígeno.

    Una simple imagen de árbol filogenético de una porción de genes de superóxido dismutasa dentro de una parte del árbol de la vida, el dominio Archaea, contiene 500 especies. El árbol no tiene raíz porque queda por determinar dónde debe ir la rama ancestral. El Grupo del Centro de Computación de Alto Rendimiento Ecológico de Massachusetts permite a los investigadores del laboratorio del profesor asociado del MIT Greg Fournier hacer árboles que contienen más de 8, 000 especies, a través de Archaea, así como el dominio de las bacterias, generando grandes cantidades de datos de árboles. Crédito:Greg Fournier

    El oxígeno molecular (O2) cambia fácilmente a una forma de "radical libre" extremadamente reactiva con un electrón desapareado llamado superóxido, una sustancia química altamente dañina para muchos sistemas biológicos. Muchos organismos están protegidos contra los superóxidos por las enzimas superóxido dismutasa que convierten el superóxido en peróxido de hidrógeno. el primer paso para desintoxicar este compuesto. Está presente en la mayoría de las bacterias existentes (es decir, las que están vivas en la actualidad), pero se supone que apareció originalmente en respuesta al entorno cada vez más rico en oxígeno del GOE.

    Fournier es un experto en un proceso llamado transferencia horizontal de genes, o HGT. La HGT es el intercambio de material genético entre organismos celulares que no sea la transmisión "vertical" regular de ADN de padres a hijos. Él cree que la evidencia de HGT de genes relacionados con el oxígeno como la superóxido dismutasa le permitirá distinguir entre una acumulación constante y fluctuante.

    "Si el oxígeno aumentara y se mantuviera estable, deberíamos ver muchos eventos de transferencia de este tipo asociados con la superóxido dismutasa, "Fournier explica." Si aumenta y luego retrocede, esperaríamos ver eventos de transferencia seguidos de la desaparición del gen en diferentes linajes, ya que habría cesado la necesidad de protegerse contra el oxígeno ".

    Debido a que no se dispone de datos genéticos de antiguos linajes extintos, Los miembros del Laboratorio de Fournier utilizan secuencias de genes muestreadas en organismos modernos, construyendo árboles evolutivos conocidos como filogenias para explorar cómo se relacionan entre sí. Al comparar estos árboles genéticos con las mejores suposiciones de cómo se relacionan los organismos microbianos, se pueden detectar eventos de transferencia, y su momento relativo inferido.

    Abigail Caron, un postdoctorado en el Grupo Fournier, utiliza un grupo de computadoras ubicado en el Massachusetts Green High Performance Computing Center (MGHPCC) para ejecutar análisis genéticos en diferentes bacterias en busca de instancias de transferencia horizontal de genes, y mapear estos eventos a través de muchos linajes.

    Para solo una pequeña cantidad de secuencias de genes, Caron puede usar un proceso llamado Ranger DTL (Análisis rápido de la evolución de la familia de genes usando Reconciliation DTL) que se ejecuta en su computadora portátil. Pero buscando comparar e integrar historias genéticas en más de 8, 000 especies bacterianas, incorporar modelos complejos de incertidumbre dentro de los análisis de árboles individuales, como ella está intentando hacer, es demasiado intensivo para una sola computadora. Tener el clúster MGHPCC para trabajar le permite ejecutar múltiples análisis simultáneamente en docenas de procesadores, haciendo posibles investigaciones de tan alta resolución sobre la historia de estos genes.

    Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.




    © Ciencia https://es.scienceaq.com