Gli scienziati sanno che l'ossigeno atmosferico si è accumulato irreversibilmente sulla Terra circa 2,3 miliardi di anni fa, in un momento noto come il Grande Evento di Ossidazione, o GOE. Prima di allora tutta la vita era microbica, e la maggior parte, se non tutto, gli ambienti erano anossici (cioè non conteneva ossigeno). L'ossigeno è stato prodotto per la prima volta qualche tempo prima del GOE attraverso l'evoluzione di un gruppo di batteri fotosintetici noti come cianobatteri. Rilasciando ossigeno come sottoprodotto della scissione dell'acqua al fine di acquisire elettroni per essere energizzati dalla luce, questo processo ha portato a cambiamenti drammatici sia nei processi biologici che geochimici su scala planetaria. Infine, il continuo accumulo di ossigeno ha portato ad una superficie ossidata, atmosfera, e oceano che persistono fino ad oggi.

Oltre a far luce su un cambiamento fondamentale nel clima della Terra, si spera che la comprensione del GOE aiuti gli scienziati a comprendere meglio l'ascesa degli eucarioti, organismi cellulari come noi umani, in cui il materiale genetico è DNA sotto forma di cromosomi contenuti all'interno di un nucleo distinto. Gli eucarioti richiedono ossigeno per produrre steroli, una parte importante delle loro membrane cellulari. Per di più, Gli eucarioti contengono anche mitocondri, organelli discendono da antichi batteri che utilizzano l'ossigeno per generare energia utilizzando la respirazione aerobica.

Attualmente ci sono due scuole di pensiero su come sono aumentati i livelli di ossigeno:la prima propone un piccolo aumento iniziale al tempo del GOE, con livelli bassi ma stabili fino ad aumentare nuovamente intorno a 600 milioni di anni fa, avvicinandosi ai livelli moderni. Il secondo postula un aumento più oscillatorio con un aumento maggiore immediatamente successivo al GOE, e poi un successivo schianto, con livelli in aumento solo di nuovo 600 milioni di anni fa.

Mentre i geologi sono stati in grado di stabilire date sempre più precise per l'insorgenza del GOE attraverso analisi geochimiche, la capacità di rilevare variazioni transitorie nei livelli di ossigeno in seguito al GOE è meno facilmente rilevabile nel record di roccia. Però, negli ultimi due decenni, sarebbe giusto dire, la scienza ha sperimentato un "grande evento genomico" attraverso il quale biologi, armati della capacità di sequenziare i geni sempre più rapidamente, ora si trovano a lavorare sodo per mettere in sequenza tutto ciò su cui possono mettere le mani. E si scopre che la genomica potrebbe contenere la risposta su come l'ossigeno ha continuato ad accumularsi,

Greg Fournier, un assistente professore di geobiologia presso il Dipartimento di Terra, Scienze atmosferiche e planetarie al MIT, è un esperto in filogenetica molecolare, scoprire le storie evolutive di geni e genomi all'interno di linee microbiche attraverso scale temporali geologiche.

Un particolare interesse attuale è la rilevazione di eventi nell'evoluzione del metabolismo microbico che probabilmente si allineano con i cambiamenti globali nei cicli biogeochimici della Terra, compreso l'ossigeno.

L'ossigeno molecolare (O2) si trasforma facilmente in una forma di "radicale libero" estremamente reattivo con un elettrone spaiato chiamato superossido, una sostanza chimica altamente dannosa per molti sistemi biologici. Molti organismi sono protetti contro i superossidi da enzimi superossido dismutasi che convertono il superossido in perossido di idrogeno, il primo passo per disintossicare questo composto. È presente nella maggior parte dei batteri esistenti (cioè quelli che sono vivi oggi), ma si presume che sia apparso originariamente in risposta all'ambiente sempre più ricco di ossigeno del GOE.

Fournier è un esperto in un processo chiamato trasferimento genico orizzontale, o HGT. HGT è lo scambio di materiale genetico tra organismi cellulari diverso dalla normale trasmissione "verticale" del DNA dal genitore alla prole. Crede che le prove HGT di geni correlati all'ossigeno come la superossido dismutasi gli consentiranno di distinguere tra un accumulo costante e fluttuante.

"Se l'ossigeno aumentasse e rimanesse stabile, dovremmo vedere molti di questi eventi di trasferimento associati alla superossido dismutasi, "Spiega Fournier. "Se aumentasse e poi diminuisse ci aspetteremmo di vedere eventi di trasferimento seguiti dalla scomparsa del gene in diversi lignaggi, poiché la necessità di proteggersi dall'ossigeno sarebbe cessata."

Poiché non sono disponibili dati genetici di antiche stirpi estinte, i membri del laboratorio di Fournier utilizzano sequenze geniche campionate in organismi moderni, costruire alberi evolutivi noti come filogenesi per esplorare come si relazionano tra loro. Confrontando questi alberi genetici con le migliori ipotesi su come gli organismi microbici siano correlati, eventi di trasferimento possono essere rilevati, e la loro relativa tempistica dedotta.

Abigail Caron, un postdoc nel Gruppo Fournier, utilizza un cluster di computer ospitato presso il Massachusetts Green High Performance Computing Center (MGHPCC) per eseguire analisi genetiche su diversi batteri alla ricerca di istanze di trasferimento genico orizzontale, e mappare questi eventi attraverso molti lignaggi.

Solo per un piccolo numero di sequenze geniche, Caron può utilizzare un processo chiamato Ranger DTL (Rapid ANalysis of Gene Family Evolution using Reconciliation DTL) eseguito sul suo laptop. Ma cercando di confrontare e integrare le storie genetiche su un massimo di 8, 000 specie batteriche, incorporare modelli complessi di incertezza all'interno delle analisi dei singoli alberi, come sta cercando di fare, è troppo intenso per un singolo computer. Avere il cluster MGHPCC su cui lavorare le consente di eseguire più analisi contemporaneamente su dozzine di processori, rendendo possibili tali indagini ad alta risoluzione sulla storia di questi geni.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.