Los métodos genéticos permiten utilizar lípidos fósiles como biomarcadores de bacterias primordiales productoras de oxígeno
Un nuevo estudio en Nature Ecology & Evolution proporciona una base importante para descifrar la historia evolutiva de la vida en la Tierra
Las cianobacterias son una especie clave en la historia de la Tierra, ya que introdujeron por primera vez el oxígeno atmosférico. Por ello, el análisis de su desarrollo aporta importantes conocimientos sobre la formación del ecosistema aeróbico moderno. Durante mucho tiempo, se consideró que cierto tipo de lípidos fósiles, los llamados 2-metilhopanos, eran un biomarcador importante en los sedimentos, algunos de los cuales tienen cientos de millones de años. Sin embargo, esto quedó en entredicho cuando resultó que no sólo las cianobacterias, sino también las alfaproteobacterias, son genéticamente capaces de producir estos lípidos.
Un equipo internacional de investigación dirigido por Yosuke Hoshino y Christian Hallmann, del Centro Alemán de Investigación en Geociencias GFZ, y Benjamin Nettersheim, del MARUM - Centro de Ciencias del Medio Marino de la Universidad de Bremen, ha investigado ahora el desarrollo filogenético y la distribución de algunos genes -entre ellos el HpnP- responsables de la síntesis del lípido 2-metilhopano: Los investigadores han descifrado cuándo adquirieron estos genes determinados grupos de organismos. Pudieron demostrar que el HpnP probablemente ya estaba presente en el último ancestro común de las cianobacterias hace más de dos mil millones de años, mientras que el gen sólo apareció en las alfaproteobacterias hace unos 750 millones de años. Por tanto, para los tiempos anteriores, los 2-metilhopanos aún pueden servir como un claro biomarcador de las cianobacterias productoras de oxígeno.
El estudio que ahora se publica muestra cómo la genética, en interacción con la sedimentología, la paleobiología y la geoquímica, puede mejorar el valor diagnóstico de los biomarcadores y afinar la reconstrucción de los primeros ecosistemas.
El Dr. Yosuke Hoshino (GFZ) está realizando análisis biológicos como parte del estudio.
Mikio Tanabe, KEK Japan
La importancia de las cianobacterias en la historia de la Tierra
Las cianobacterias desempeñaron un papel crucial en la transformación de la Tierra desde su estado inicial sin oxígeno hasta un sistema moderno rico en oxígeno en el que es posible una vida cada vez más compleja. Las cianobacterias fueron probablemente el único grupo relevante de organismos que convirtieron sustancias inorgánicas en orgánicas (los llamados productores primarios) y produjeron oxígeno durante largos tramos del Precámbrico (los primeros cuatro mil millones de años aproximadamente de la historia de la Tierra, desde sus inicios hasta hace unos 540 millones de años). Por ello, el análisis de su desarrollo evolutivo es de gran importancia para comprender la historia común de la vida y la Tierra.
La importancia de los lípidos fósiles como biomarcadores
En principio, los restos fósiles de cianobacterias enteras pueden servir como indicadores de la presencia de fotosíntesis oxigénica en el pasado geológico. Sin embargo, debido a los sesgos de conservación y a las ambigüedades en el reconocimiento de las células cianobacterianas fósiles, los geoquímicos:dentro utilizan lípidos fósiles de diagnóstico como los 2-metilhopanoides para sus investigaciones. Los 2-metilhopanoides, como se denominan las moléculas no fosilizadas, son producidos por bacterias, y en su estado fosilizado -a diferencia de las bacterias- pueden detectarse en rocas sedimentarias incluso después de cientos de millones de años en buena calidad y en cantidades correspondientes a su aparición original.
Sin embargo, recientemente han surgido dudas sobre la idoneidad del 2-metilhopano como biomarcador de las cianobacterias: el descubrimiento de un gen para la biosíntesis de lípidos reveló que las alfaproteobacterias también son capaces de producir estos lípidos. Esto significaba que la clasificación temporal de los procesos productores de oxígeno ya no era claramente posible.
Nuevo enfoque: análisis genéticos exhaustivos combinados con nuevos análisis de sedimentos de gran pureza
Un equipo internacional de investigación dirigido por Yosuke Hoshino, científico de la Sección 3.2 "Geoquímica Orgánica" del GFZ, y el jefe de sección Christian Hallmann, también catedrático de la Universidad de Potsdam, así como Benjamin Nettersheim, del MARUM de la Universidad de Bremen, ha investigado ahora sistemáticamente qué organismos distintos de las cianobacterias poseen los genes con la abreviatura SC y HpnP, necesarios para la producción de 2-metilhopanoides, y cuándo los adquirieron en el curso de su historia evolutiva. De este modo, el equipo ha podido demostrar que el lípido fósil 2-metilhopano puede seguir utilizándose como biomarcador único de la existencia de cianobacterias en épocas de hace más de 750 millones de años.
Además, los investigadores han creado una representación integrada de la producción de 2-metilhopano a lo largo de la historia de la Tierra. Para ello, combinaron sus datos moleculares con nuevos análisis de sedimentos realizados en condiciones de gran pureza.
"El método que propusimos es en principio aplicable a cualquier materia orgánica de archivos geológicos y tiene un gran potencial para rastrear el desarrollo evolutivo de diferentes ecosistemas con una resolución temporal y espacial mucho mayor que antes", resume Hoshino.
Metodología I: Estudio informático para el análisis de genes
Para el análisis de las relaciones genéticas, Hoshino buscó en bases de datos en línea de acceso público que contienen millones de secuencias de genes/proteínas de organismos con genes SC y HpnP. A partir de este conjunto de datos genéticos, creó los llamados árboles filogenéticos, que proporcionan información sobre cómo se transfirieron los genes SC y HpnP entre distintos organismos y si la transferencia genética tuvo lugar de forma vertical a través de la herencia o de forma horizontal entre organismos no relacionados evolutivamente.
Además, los investigadores también pudieron determinar en qué momento de la historia evolutiva de los genes se produjeron las transferencias génicas individuales. Para ello, consultaron estudios anteriores que funcionaban con la llamada técnica del reloj molecular, que tiene en cuenta la tasa de mutación del ADN y estima el curso temporal de la evolución de los genes.
Metodología II: Nuevo tipo de preparación de muestras ultralimpias
Dado que los conjuntos de datos de biomarcadores precámbricos son muy sensibles a la contaminación, los investigadores utilizaron también un método ultralimpio para extraer la materia orgánica de los núcleos de sedimentos. Las muestras geológicas en forma de testigos fueron recogidas por varios coautores de 16 países. Representan distintos periodos geológicos, desde el Paleoproterozoico (hace 2.500 millones de años) hasta la actualidad. A continuación se midió la abundancia relativa de 2-metilhopanos en la materia orgánica.
Los resultados en detalle
Hay muchas bacterias que poseen los genes SC y HpnP, pero en su mayoría se trata de cianobacterias y alfaproteobacterias. Se descubrió que ambos grupos habían adquirido los genes SC y HpnP de forma independiente. Esto contrasta con estudios anteriores que concluían que las cianobacterias adquirieron estos genes de las alfaproteobacterias en una fase tardía de su evolución.
El nuevo estudio también descubrió que el ancestro común de las cianobacterias ya poseía ambos genes hace más de 2.400 millones de años, cuando el oxígeno empezó a acumularse en la atmósfera durante la llamada Gran Catástrofe del Oxígeno.
En cambio, las alfaproteobacterias adquirieron los genes SC y HpnP no antes de hace unos 750 millones de años. Antes de esa fecha, los 2-metilhipoanoides eran producidos prácticamente sólo por cianobacterias.
Los investigadores interpretan el aumento ligeramente retardado de 2-metilhopanoides en los sedimentos hace unos 600 millones de años como un signo de la expansión global de las alfaproteobacterias, que puede haber favorecido el ascenso evolutivo simultáneo de las algas eucariotas.
Clasificación y perspectivas
"Los métodos analíticos individuales mencionados anteriormente no son nuevos, pero pocos investigadores han realizado análisis completos para SC y HpnP y han intentado integrar datos genéticos con datos de biomarcadores sedimentarios, ya que esto requiere la combinación de dos disciplinas científicas completamente diferentes: la biología molecular y la geoquímica orgánica", afirma Hoshino.
"El origen de los 2-metilhopanos sedimentarios ha sido controvertido durante mucho tiempo", añade Christian Hallmann. "Este nuevo estudio no sólo aporta claridad sobre la diagnosticabilidad de los 2-metilhopanos y el papel de las cianobacterias en el pasado primordial; su metodología proporciona una nueva forma de refinar la diagnosticabilidad de teóricamente cualquier lípido biomarcador una vez que se conocen los genes biosintéticos."
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Alemán se puede encontrar aquí.
Publicación original
Yosuke Hoshino, Benjamin J. Nettersheim, David A. Gold, Christian Hallmann, Galina Vinnichenko, Lennart M. van Maldegem, Caleb Bishop, Jochen J. Brocks & Eric A. Gaucher, 2023; "Genetics re-establish the utility of 2-methylhopanes as cyanobacterial biomarkers before 750 million years ago."; Nature Ecology & Evolution
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