Risolvere un mistero vecchio di decenni, I ricercatori di Stanford hanno scoperto proteine ​​che consentono ai microbi resistenti chiamati archaea di indurire le loro membrane quando le acque sono eccessivamente calde. Trovare queste proteine ​​potrebbe aiutare gli scienziati a ricostruire lo stato del clima della Terra che risale a milioni di anni fa, quando quegli archaea stavano navigando negli antichi oceani.

"Le persone cercano queste proteine ​​da 40 anni, "ha detto Paula Welander, professore associato di scienze del sistema terrestre presso la School of Earth della Stanford University, Scienze energetiche e ambientali (Stanford Earth), e autore principale di uno studio che descrive la scoperta pubblicata il 7 ottobre in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Con questa scoperta gli scienziati possono utilizzare in modo più accurato i lipidi, o grassi, trovati nelle membrane archeali e conservati nei sedimenti oceanici per stimare le temperature oceaniche storiche, ha detto Welander.

Abbattere i boccaporti

Quando è sotto stress, gli archaea fondono le loro membrane cellulari solitamente a doppio strato in un unico strato. Battere i boccaporti in questo modo rassoda le membrane, quale, essendo per lo più fatto di grasso, può diventare troppo floscio quando la temperatura sale, come il burro lasciato sul bancone della cucina.

Alcuni archaea modificano ulteriormente le strutture che fondono i loro strati di membrana aggiungendo pezzi ad anello che rendono le membrane ancora più compatte e robuste. Questi adattamenti sono utili dal punto di vista della climatologia, poiché le strutture che legano la membrana, insieme a quelle serie di anelli, si conservano facilmente nei sedimenti marini. Esaminando i numeri e i tipi di anelli, gli scienziati del clima possono misurare le temperature delle acque superficiali dove e quando vivevano quegli archaea. Questa tecnica è stata utilizzata come prova dei mari più caldi dell'era giurassica, risalente a più di 150 milioni di anni al periodo di massimo splendore dei dinosauri.

Trovare le proteine ​​coinvolte nella creazione di tali strutture risolve alcune incertezze che gli scienziati hanno avuto sull'inferenza delle antiche temperature dai lipidi arcaici, quelli che chiamano i proxy della paleotemperatura.

I climatologi hanno ipotizzato che un singolo gruppo di archaea, i Thaumarchaeota, sono responsabili della produzione di lipidi con anelli che si trovano negli oceani aperti e che aggiungono quegli anelli in risposta ai cambiamenti di temperatura dell'acqua. Ma se altri fattori ambientali come la salinità e l'acidità innescano la produzione di anelli in altri gruppi archeali marini, che potrebbe alterare il modo in cui leggono i segnali di temperatura.

Secondo il nuovo studio, i climatologi possono tirare un sospiro di sollievo. Inchiodando finalmente le proteine ​​in gioco, i ricercatori di Stanford mostrano che i Thaumarchaeota sono effettivamente la fonte dominante delle strutture della membrana portante l'anello nelle acque oceaniche, supportando idee precedenti sulle antiche temperature della superficie del mare.

"Con quelle informazioni critiche ora in mano, possiamo iniziare a limitare alcune delle incertezze su questo particolare proxy della paleotemperatura basato sugli archaea, " ha detto Welander.

Inseguendo le proteine

Sebbene non identificato fino alla fine degli anni '70, da allora gli archaea sono stati riconosciuti come costituenti un intero nuovo terzo dominio della vita, accanto ai batteri e agli eucarioti più familiari:organismi multicellulari, compresi gli umani. Sebbene gli archaea assomiglino superficialmente ai batteri, le differenze biochimiche e riproduttive testimoniano la loro unicità. Molti archaea sono anche estremofili, che prosperano in ambienti austeri come sorgenti termali dove altre forme di vita non possono sopravvivere.

Per trovare le proteine ​​che formano l'anello, il team di Stanford ha sperimentato con Sulfolobus acidocaldarius, tra gli archea meno difficili da coltivare e manipolare in laboratorio.

"Questo organismo è uno dei pochissimi archaea che ha un sistema genetico in cui possiamo fare il tipo di lavoro che ci piace fare, " ha detto Welander.

Il suo team ha cercato di scoprire quali proteine ​​hanno permesso a S. acidocaldarius di attaccare anelli alle sue strutture che attraversano la membrana. I ricercatori hanno prima scoperto tre possibili geni esaminando i genomi degli archaea che costruiscono e non costruiscono anelli. Hanno quindi creato mutanti in laboratorio che ne mancavano uno, due o tutti e tre i geni e, in definitiva, due di questi geni si sono rivelati parte integrante delle strutture ad anello.

Quei geni non sono riusciti a presentarsi in un altro gruppo di archaea che condividono ambienti marini con Thaumarchaeota e sono stati considerati come possibili, fonte aggiuntiva di strutture ad anello nei campioni di sedimenti. Escluso tale contributo, le stime della temperatura del mare derivate dal proxy paleotemperatura in questione sembrano più robuste.

Prenderlo globale

Welander ha affermato che gli scienziati possono ora esaminare l'estensione delle scoperte del team di Stanford in regioni marine ben campionate in tutto il mondo. Il suo team ha selezionato un set di dati genetici dall'Oceano Pacifico settentrionale, e quindi parla direttamente solo a quel particolare bioma. Altri set di dati dall'Oceano Atlantico e dal Mar Mediterraneo, Per esempio, dovrebbe rivelare se i Thaumarchaeota sono anche responsabili della deposizione dei fossili molecolari di interesse in quelle aree. Questi proxy di paleotemperatura potrebbero anche essere estesi in laghi e altri ambienti, Welander ha detto, aprendo ancora più pagine nelle cronache climatiche della Terra.

Andando oltre gli aspetti climatologici dei risultati, Welander ha notato che capire come le proteine ​​arcaiche gestiscono il lavoro arcano della fusione delle membrane potrebbe rivelare una nuova avvincente biochimica per potenziali applicazioni nel mondo reale, come la scoperta di farmaci e la scienza dei materiali.

"I microbi inventano tutti i tipi di bizzarre biochimiche per fare tutti i tipi di reazioni bizzarre, " ha detto Welander. "Ogni volta che puoi espandere quella chimica di ciò che è possibile, è davvero eccitante solo da una prospettiva scientifica di base".