Un esemplare fossile di T. rex (AMNH 5027) in mostra all'American Museum of Natural History, nel 2019. Credito:Museo Nazionale di Storia Naturale, New York City. amnh.org/exhibitions/permanent/saurischian-dinosaurs/tyrannosaurus-rex.
L'idea esistente secondo cui le architetture dei tessuti molli e le proteine native possono essere preservate nel tempo geologico è controversa poiché i metodi di tale conservazione devono ancora essere studiati e ben definiti. In un nuovo studio, Elizabeth M. Boatman e colleghi dei dipartimenti di Ingegneria, Paleontologia, Biologia, Materiali e ingegneria e Advanced Light Source negli Stati Uniti, meccanismi di reticolazione testati per l'architettura dei tessuti preservati. Hanno usato due non enzimatici, meccanismi strutturali delle proteine, Fenton chimica e glicazione per dimostrare i loro possibili contributi per preservare le strutture dei vasi sanguigni recuperate dall'osso corticale di tirannosauro Rex ( T. rex ; USNM 555 000, precedentemente MOR 555). Hanno dimostrato l'endogeneità (casualità) dei tessuti dei vasi fossili e la presenza di collagene di tipo I negli strati più esterni dei vasi utilizzando l'imaging, diffrazione, spettroscopia e immunoistochimica.
Hanno derivato dati dagli studi dell'infrarosso a trasformata di Fourier di sincrotrone (SR-FTIR) sulla T. rex vasi per analizzare il loro carattere di reticolazione e confrontarli con campioni di pollo di controllo trattati in modo simile con le due tecniche. I ricercatori hanno fornito analisi con microsonda a raggi X dello stato chimico dei tessuti fossili per supportare la conservazione dei vasi sanguigni T. rex , come osservato utilizzando i metodi di indagine. Boatman et al. propongono che i legami crociati stabilizzanti dei tessuti osservati giocheranno un ruolo importante per preservare ulteriori tessuti microvascolari negli elementi scheletrici dell'era mesozoica. L'opera è ora pubblicata su Rapporti scientifici .
I paleontologi hanno recuperato cavità, strutture flessibili e trasparenti simili a vasi da elementi scheletrici di vertebrati fossili inclusi dinosauri non aviari e hanno applicato molte tecniche per identificare le loro proteine endogene come collagene ed elastina. I ricercatori avevano utilizzato il sequenziamento della spettroscopia di massa per identificare vasi isolati recuperati da dinosauri non aviari per supportare la presenza di proteine vascolari specifiche dei vertebrati in passato. Per esempio, hanno documentato il caratteristico pattern di bande a 67 nanometri tipico del collagene di tipo I dopo aver liberato la proteina tramite demineralizzazione, seguiti da ulteriori studi per verificare la presenza di collagene di tipo I nei canali vascolari di una costola di dinosauro sauropode di circa 190 milioni di anni fa utilizzando l'analisi FTIR e Raman. Mentre i gruppi di ricerca avevano sviluppato una varietà di metodi per spiegare la conservazione inaspettata, i test sperimentali dei meccanismi proposti devono ancora essere condotti di routine e su larga scala.
Nel presente lavoro, Boatman et al. identificato e testato il possibile contributo di una serie di esperimenti per preservare l'architettura vascolare dell'osso compatto di a tirannosauro Rex fossile. Si aspettano che il lavoro getti una possibile base per ulteriori studi sulla conservazione dei tessuti molli recuperati dal Mesozoico o da fossili più recenti. Le pareti dei vasi sanguigni dei vertebrati contengono tre strati distinti tra cui la tunica intima (la più interna), tunica media e tunica esterna (strato più esterno). Grazie alla loro composizione molecolare unica, gli scienziati possono differenziare i costituenti morfologicamente e chimicamente. Per esempio, l'elastina è una proteina elicoidale specifica dei vertebrati che offre resistenza alle variazioni di pressione nelle pareti vascolari. Il collagene è anche specifico per i vertebrati e costituisce una frazione predominante dei vasi sanguigni che funge da fondamento strutturale. Poiché l'elastina e il collagene contengono caratteristiche distintive identificabili nella struttura e nella composizione molecolare, Boatman et al. proposto di studiare le due proteine all'interno dei vasi di dinosauro residuo.
A SINISTRA:analisi SR-FTIR. Localizzazione della sottobanda dell'ammide I del collagene di tipo I di pollo non trattato e trattato negli spettri SR-FTIR. Sottobande (β-foglio, ~1633 cm-1; tripla elica, ~1658–1660 cm-1; intermolecolare, ~1683–1690 cm−1) sono indicati nelle figure. Le tracce rosse indicano le derivate seconde delle curve sperimentali. Sebbene la sottobanda intermolecolare si presenti tipicamente a un numero d'onda inferiore, il valore identificato era il minimo locale più vicino in ciascuna delle tracce derivate seconde e appare coerente in tutti i campioni; perciò, in questo campione, la sottobanda intermolecolare è stata indicizzata a 1697–1699 cm-1. A DESTRA:immagini SEM dell'osso corticale USNM 555000. (a) Superficie di frattura che mostra chiare caratteristiche di osteoni (o) prevalentemente in sezione longitudinale, lacune degli osteociti (ol; in cerchi bianchi tratteggiati), e tessitura fine coerente con le fibre di collagene mineralizzate nell'osso. Immagine retrodiffusa (BSE). (B), Sezione trasversale lucidata (grana 1200) (immagine BSE) che mostra le caratteristiche chiare degli osteoni e delle lacune degli osteociti. Gli osteoni riempiti di minerali (frecce bianche) producono strutture vascolari altamente alterate, che sono stati prontamente eliminati da SAXS, FTIR, e analisi TEM mediante un'attenta preparazione (sedimentazione, lavaggio, selezione al microscopio). Le crepe sono dovute a variazioni di umidità/pressione e sono un artefatto della preparazione. (C), Sezione trasversale lucidata (grana 1200) (immagine dell'elettrone secondario [SE]) che mostra le caratteristiche chiare degli osteoni e delle lacune degli osteociti. (D), Immagine SE altamente ingrandita di un osteone, che mostra una trama fibrosa ai bordi (freccia bianca), che è stato comunemente osservato negli osteoni non riempiti di minerali in questo campione. questo sottile, si propone che il rivestimento fibroso all'interno della struttura dell'osteone sia il cavo, strutture flessibili dei vasi. Credito: Rapporti scientifici , doi:10.1038/s41598-019-51680-1
Il team di ricerca ha ipotizzato il contributo dei primi processi diagenetici (fisici e chimici) alla sopravvivenza di T. rex microvascolare da tempo profondo. Per testare questo, Boatman et al. ha condotto per la prima volta l'analisi SR-FTIR per comprendere il carattere del legame incrociato nel campione di controllo della proteina del collagene di tipo I di pollo. Hanno indotto legami incrociati nella proteina utilizzando il reagente di Fenton o tecniche di glicazione catalizzata da ioni seguite dall'uso della trasmissione SR-FTIR per testare ciascun tessuto. Hanno osservato che i legami incrociati intramolecolari formati nei tessuti di pollo erano immaturi a causa della loro mancanza di esposizione ai percorsi necessari per formare legami incrociati intermolecolari o prodotti finali di glicazione avanzata (AGE).
Per testare il T. rex architettura del vaso per le proteine endogene, gli scienziati hanno liberato tre tipi di vasi da un demineralizzato T. rex corteccia ossea. Hanno quindi utilizzato la microscopia a luce visibile (VLM) per caratterizzarli come:
Hanno accoppiato la spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS) con la microscopia elettronica a scansione (SEM) e la spettroscopia a fluorescenza a raggi X microfocalizzata (µXRF) per confermare le differenze osservate nei campioni di tessuto di varia composizione. Il team si è concentrato sulle reti di vasi flessibili a causa del loro tessuto osseo simile a quello esistente, che presumibilmente ha mantenuto una minima alterazione.
A SINISTRA:immagini al microscopio del tessuto vascolare di T. rex e analisi associata del bendaggio di collagene fibrillare. (a) Il VLM trasmesso del tessuto molle di T. rex mostra una vasta rete di cavità, flessibile, struttura vascolare e tipica tonalità marrone. (b) Immagine SEM della superficie di una nave. (c) Immagine ingrandita di (b) caratteristiche dettagliate coerenti con i fasci di fibre di collagene (fibrille di collagene, "F"; fibra di collagene, “Cf”). La larghezza media delle fibrille è stata misurata come 110 nm, e larghezza media della fibra, 1.0μm. (d) Immagine TEM delle caratteristiche fibrose osservate in una sezione trasversale longitudinale del vaso. Profili di intensità della trama a bande nei riquadri (e) 1 e 2 nei riquadri c e (f) 3, 4, 5 in (d) con esempi di distanze picco-picco (media SEM, ~74 nm; TEM, ~56 nm) chiamato in rosso. A DESTRA:Immagini e analisi chimiche dell'organico, vasi di Tyrannosaurus rex di colore marrone e calchi mineralizzati del sistema di vasi liberati dalla demineralizzazione dei tessuti. (un), Immagine al microscopio ottico di frammenti di vasi tipici liberati da T. rex. (B), Immagine ingrandita del rettangolo bianco in a, raffigurante color marrone, flessibile, frammenti organici di vasi (ov) e due tipi di calchi mineralizzati:forme opache e forme semitrasparenti. (C), Immagine SEM di frammenti di vasi simili. (D), Immagine ingrandita del rettangolo bianco in c, con tre tipi di frammenti di vaso identificati e posizioni di analisi EDS in e identificate esplicitamente. (e), L'analisi EDS ha identificato i calchi opachi dei vasi come una forma di ossido di ferro (fondo, rosso) e il vaso semitrasparente si fonde con BaSO4 (in alto, blu). Credito: Rapporti scientifici , doi:10.1038/s41598-019-51680-1
Quando Boatman et al. studiato il flessibile T. rex navi che utilizzano SEM, hanno osservato strutture fibrose attraverso la loro superficie più esterna. Le caratteristiche combinate erano coerenti con quelle osservate nei vasi esistenti liberati dall'osso corticale e con il collagene fibrillare. Il team ha analizzato lo spettro SR-FTIR di T. rex vasi per rilevare le bande dominanti osservate sia nei tessuti esistenti che in quelli antichi trattati. In particolare, la banda dell'ammide I per il tessuto di dinosauro si trovava in una struttura ad α-elica predominante coerente con il collagene fibrillare maturo (reticolato). Il team di ricerca ha quindi condotto studi di immunoistochimica (IHC) per identificare epitopi specifici delle proteine delle proteine strutturali elastina e collagene di tipo I.
Gli scienziati hanno raccolto anticorpi contro tutti i componenti del sistema vascolare esistente per osservare un legame positivo nelle pareti dei vasi dei dinosauri. Utilizzando un filtro fluorescente, hanno catturato la localizzazione e la distribuzione dei complessi antigene-anticorpo (fluorescenza verde). La risposta dei vasi dei dinosauri agli anticorpi dell'actina è apparsa come uno strato sottile e uniformemente distribuito. Gli anticorpi sollevati contro la tropomiosina, una proteina muscolare, sono comparsi con maggiore intensità sulle pareti dei vasi. I vasi dei dinosauri indicavano anche la presenza di anticorpi contro il collagene di tipo I, sebbene gli anticorpi dell'elastina mostrassero una maggiore intensità. Le due proteine erano buoni bersagli per gli studi sui fossili a causa dell'elevata conservazione evolutiva in alcune regioni. Non hanno osservato la reattività dei vasi di dinosauro agli anticorpi contro il peptidoglicano batterico (che indica l'assenza di contaminazione microbica).
I tessuti di T. rex mostrano un legame anticorpale positivo ai componenti proteici del tessuto vascolare esistente. (un, C, e, G, io, K, m, o) Sono immagini composite in cui la fluorescenza corrispondente ai complessi antigene-anticorpo è sovrapposta alle immagini VLM delle sezioni dei vasi, con immagini adiacenti (b, D, F, h, J, io, n, p) catturato utilizzando un filtro fluorescente. (a-d) non è stato osservato alcun legame spurio per i controlli negativi in cui i vasi sono stati esposti ad anticorpi secondari generati contro le specie ospiti di tutti gli altri anticorpi utilizzati, cioè., topo (un, b) e coniglio (c, D). (e, f) Il legame positivo dei vasi di dinosauro agli anticorpi dell'actina può essere visto in sottili, strati uniformemente distribuiti, e (g, h) è evidente un legame più ampiamente distribuito per gli anticorpi contro la tropomiosina muscolare. Anticorpi per entrambi (i, j) collagene di tipo I e (k, l) l'elastina si lega positivamente a questi vasi di T. rex. (m, n) Gli anticorpi generati contro l'emoglobina di struzzo mostrano un'intensità di legame relativamente inferiore. (o, p) Non è stata osservata alcuna reattività dei vasi di dinosauro agli anticorpi contro il peptidoglicano batterico (che indica l'assenza di contaminazione). Credito: Rapporti scientifici , doi:10.1038/s41598-019-51680-1
Boatman et al. testato T. rex strutture dei vasi per capire se la reticolazione strutturale post-mortem delle proteine ha migliorato la loro resistenza alla degradazione o alle alterazioni diagenetiche. Per questo, si sono concentrati sul collagene fibrillare utilizzando spettri di trasmissione SR-FTIR per suggerire la reticolazione post-mortem durante il processo di conservazione dell'architettura tissutale. Queste caratteristiche spettrali erano state precedentemente registrate ma non discusse con i primi sauropodomorfi del Giurassico e le ossa del Cretaceo. Gli scienziati hanno quindi trattato la massa T. rex tessuto con sodio boroidruro (NaBH 4 ) per ridurre i gruppi carbonilici all'interno di reticolazioni immature e aumentare l'intensità di assorbimento del carbonile non peptidico. Le bande di assorbimento dei carboidrati nel T. rex i tessuti erano coerenti con gli AGE (prodotti finali della glicazione avanzata). Dopo il trattamento, i dati suggerivano che T. rex i tessuti possedevano entrambi i tipi di reticolazione intramolecolare e intermolecolare.
Quando gli scienziati hanno mappato gli elementi nel tessuto usando µXRF, hanno rivelato il ferro (Fe) come l'unico metallo concentrato all'interno dei tessuti dei vasi dei dinosauri durante la registrazione del bario (Ba) all'interno dei calchi dei vasi semitrasparenti. Utilizzando la microscopia a struttura near-edge ad assorbimento di raggi X estesa, hanno osservato Fe 3+ incorporato nelle pareti del vaso. I ricercatori hanno mostrato la presenza di goethite finemente cristallina (α-FeO(OH)); un minerale precedentemente rilevato nei tessuti vascolari recuperati da due diversi esemplari di dinosauri.
IN ALTO:analisi SR-FTIR del tessuto vascolare di T. rex, NaBH4 ha ridotto il tessuto vascolare di T. rex, collagene di tipo I di pollo senza trattamento, e collagene di pollo di tipo I trattato con il reagente di Fenton e glicazione catalizzata dal ferro. (un, b) Spettri FTIR medi nelle regioni carbonile non peptidica e proteina ammidica I per tutti e cinque i campioni. (a) Una riduzione significativa della banda carbonilica non peptidica segue il trattamento del tessuto vascolare di T. rex con NaBH4, che riduce i legami incrociati peptidici (immaturi). La banda di ammide I spostata in blu del tessuto di dinosauro, Collagene di pollo di tipo I trattato con reagente Fenton, e il collagene di pollo di tipo I trattato con glicazione catalizzata da Fe indicano un aumento della struttura dell'α-elica (~ 1660 cm-1) poiché la tripla elica ad alta energia e le sottobande intermolecolari predominano sempre più negli spettri. Lo sviluppo del carbonile aldeidico, chetoaldeide, e/o bande di chetoimina immature in entrambi i tessuti di pollo trattati è coerente con la forte banda carbonilica nel tessuto di dinosauro. IN BASSO:La mappatura della micro-fluorescenza a raggi X (u-XRF) dei tessuti dei vasi del Tyrannosaurus rex organico e mineralizzato rivela la presenza di più metalli. S, Fe, e Ba erano gli elementi primari identificati nei campioni dei vasi. Mappe composite di due (a, b mostra Ba e Fe) e tre (c, d mostra S, ba, e Fe) le specie atomiche mostrano che il Fe è prevalentemente associato ai tessuti organici dei vasi, mentre S e Ba sono principalmente associati ai calchi di vasi mineralizzati semitrasparenti. Credito: Rapporti scientifici , doi:10.1038/s41598-019-51680-1
In questo modo, Elizabeth M. Boatman e colleghi hanno dimostrato la presenza di proteine endogene di specie vertebrate all'interno delle strutture dei dinosauri dei tessuti molli. Ciò includeva la presenza di collagene di tipo I coerente con il sistema vascolare nei vertebrati esistenti. I dati hanno supportato un meccanismo in due fasi che ha stabilizzato le biomolecole e l'architettura dei vasi dopo la morte dell'organismo, promuovere la loro conservazione all'interno degli elementi scheletrici. Il team ha ipotizzato che i percorsi di Fenton e glicazione mediati dal ferro possano aver contribuito a migliorare T. rex tissue longevity of elastin and fibrillar collagen within and around blood vessels. Both processes could be catalyzed by transition metal species such as iron to define the central role of Fe observed in structural protein crosslinking. The formation of iron oxyhydroxide precipitates in the work fully supported this idea.
The data represent the first comprehensive chemical and molecular characterization of vascular tissues recovered from T. rex specimen USNM 555000. The results shed light on the possible processes of fossilization at the molecular level. The researchers envision the demonstrated techniques will contribute to the development of comprehensive mechanisms to consistently retain vascular tissue survival from deep time.
© 2019 Scienza X Rete
