Resolviendo un misterio de décadas, Los investigadores de Stanford han descubierto proteínas que permiten a los resistentes microbios llamados arqueas endurecer sus membranas cuando las aguas están demasiado calientes. Encontrar estas proteínas podría ayudar a los científicos a reconstruir el estado del clima de la Tierra que se remonta a millones de años cuando esas arqueas navegaban por los océanos antiguos.

"La gente ha estado buscando estas proteínas durante 40 años, "dijo Paula Welander, profesor asociado de ciencia del sistema terrestre en la Escuela de la Tierra de la Universidad de Stanford, Energía y Ciencias Ambientales (Stanford Earth), y autor principal de un estudio que describe el hallazgo publicado el 7 de octubre en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

Con este hallazgo, los científicos pueden utilizar con mayor precisión los lípidos (o grasas) que se encuentran en las membranas de las arqueas y se conservan en los sedimentos del océano para estimar las temperaturas históricas del océano. Dijo Welander.

Batiendo las escotillas

Cuando está bajo estrés, Las arqueas fusionan sus membranas celulares de doble capa en una sola capa. Bajar las escotillas de esta manera reafirma las membranas, cuales, estar compuesto principalmente de grasa, puede volverse demasiado blanda cuando la temperatura sube, como la mantequilla que se deja en la encimera de la cocina.

Algunas arqueas modifican aún más las estructuras que fusionan sus capas de membrana al agregar piezas en forma de anillo que hacen que las membranas sean aún más compactas y resistentes. Estas adaptaciones son útiles desde una perspectiva climatológica, ya que las estructuras de unión de membranas, junto con esos conjuntos de anillos, se conservan fácilmente en los sedimentos marinos. Al examinar los números y tipos de anillos, Los científicos del clima pueden medir la temperatura del agua superficial dónde y cuándo vivieron esas arqueas. Esta técnica se ha utilizado como evidencia de los mares más cálidos de la era jurásica, que se remonta a más de 150 millones de años hasta el apogeo de los dinosaurios.

Encontrar las proteínas involucradas en la fabricación de esas estructuras resuelve algunas incertidumbres que los científicos han tenido acerca de inferir temperaturas antiguas a partir de lípidos de arqueas, lo que ellos llaman los proxies de la paleotemperatura.

Los climatólogos han supuesto que un solo grupo de arqueas, el Thaumarchaeota, son responsables de producir lípidos con anillos que se encuentran en océanos abiertos y que agregan esos anillos en respuesta a los cambios de temperatura del agua. Pero si otros factores ambientales como la salinidad y la acidez desencadenan la producción de anillos en otros grupos de arqueas marinas, eso podría alterar la forma en que leen las señales de temperatura.

Según el nuevo estudio, Los climatólogos pueden respirar aliviados. Al finalmente clavar las proteínas en juego, los investigadores de Stanford muestran que Thaumarchaeota es de hecho la fuente dominante de las estructuras de membranas con anillos en las aguas del océano, apoyando ideas previas de las antiguas temperaturas de la superficie del mar.

"Con esa información fundamental ahora en la mano, podemos empezar a limitar algo de la incertidumbre sobre este proxy de paleotemperatura particular basado en arqueas, "Dijo Welander.

Persiguiendo las proteínas

Aunque no se identificó hasta finales de la década de 1970, Desde entonces se ha reconocido que las arqueas constituyen un nuevo tercer dominio de la vida, junto con las bacterias y eucariotas más familiares:organismos multicelulares, incluidos los humanos. Aunque las arqueas se parecen superficialmente a las bacterias, las diferencias bioquímicas y reproductivas dan testimonio de su singularidad. Muchas arqueas también son extremófilos, que prosperan en ambientes austeros como aguas termales donde otras formas de vida no pueden sobrevivir.

Para encontrar las proteínas productoras de anillos, el equipo de Stanford experimentó con Sulfolobus acidocaldarius, entre las arqueas menos difíciles de cultivar y manipular en un laboratorio.

"Este organismo es una de las pocas arqueas que tiene un sistema genético en el que podemos hacer el tipo de trabajo que nos gusta hacer, "Dijo Welander.

Su equipo se propuso encontrar qué proteínas permitían a S. acidocaldarius unir anillos a sus estructuras que atraviesan la membrana. Los investigadores encontraron primero tres genes posibles al observar los genomas de las arqueas que construyen anillos y no los construyen. Luego crearon mutantes en el laboratorio que carecían de uno, dos o los tres genes y, por último, dos de estos genes resultaron ser parte integral de las estructuras del anillo.

Esos genes no aparecieron en otro grupo de arqueas que comparten ambientes marinos con Thaumarchaeota y se consideraron posibles, fuente adicional de estructuras anilladas en muestras de sedimentos. Con ese aporte descartado, las estimaciones de la temperatura del mar derivadas del proxy de la paleotemperatura en cuestión parecen más sólidas.

Llevándolo global

Welander dijo que los científicos ahora pueden considerar la posibilidad de extender los hallazgos del equipo de Stanford a regiones marinas bien muestreadas en todo el mundo. Su equipo seleccionó un conjunto de datos genéticos del norte del Océano Pacífico, y, por lo tanto, solo habla directamente de ese bioma en particular. Otros conjuntos de datos del Océano Atlántico y el Mar Mediterráneo, por ejemplo, debería revelar si Thaumarchaeota también es responsable de establecer los fósiles moleculares de interés en esas áreas. Estos proxies de paleotemperatura podrían incluso extenderse a lagos y otros entornos, Welander dijo:abriendo aún más páginas en las crónicas climáticas de la Tierra.

Más allá de los aspectos climatológicos de los hallazgos, Welander señaló que descubrir cómo las proteínas de las arqueas manejan el arcano trabajo de la fusión de membranas podría revelar una nueva bioquímica convincente para posibles aplicaciones del mundo real. como el descubrimiento de fármacos y la ciencia de los materiales.

"Los microbios inventan todo tipo de bioquímica extraña para realizar todo tipo de reacciones extrañas, ", Dijo Welander." Siempre que puedas expandir esa química de lo que es posible, es realmente emocionante desde una perspectiva científica básica ".