Los lípidos de glicerol dialquil glicerol tetraéter (GDGT) son una clase de lípidos de membrana sintetizados por arqueas y algunas bacterias , lo que los convierte en biomarcadores útiles para estos organismos en el registro geológico. Su presencia, estructura y abundancia relativa en materiales naturales pueden ser útiles como indicadores de temperatura, entrada de materia orgánica terrestre y pH del suelo para períodos pasados de la historia de la Tierra. [1] Algunas formas estructurales de GDGT forman la base del paleotermómetro TEX86 . [1] Los GDGT isoprenoides, que ahora se sabe que son sintetizados por muchas clases de arqueas, se descubrieron por primera vez en cultivos de arqueas extremófilas . [2]Los GDGT ramificados, probablemente sintetizados por acidobacterias , [3] se descubrieron por primera vez en una muestra de turba holandesa natural en 2000. [4]
Estructura química
Las dos clases estructurales principales de GDGT son isoprenoides (isoGDGT) y ramificadas (brGDGT), que se refieren a diferencias en las estructuras del esqueleto de carbono. Los compuestos isoprenoides se numeran de -0 a -8, y el número representa el número de anillos de ciclopentano presentes dentro de la estructura del esqueleto carbónico. [1] La excepción es crenarchaeo l, un producto de thaumarchaeota con un resto de anillo de ciclohexano además de cuatro anillos de ciclopentano. Los GDGT ramificados tienen cero, uno o dos restos de ciclopentano y se clasifican además en función del posicionamiento de sus ramificaciones. [1] Están numerados con números romanos y letras, con -I indica estructuras con cuatro modificaciones (es decir, una rama o un resto ciclopentano), -II indica estructuras con cinco modificaciones y -III indica estructuras con seis modificaciones. [1] El sufijo a después del número romano significa que una de sus modificaciones es un resto ciclopentano; b significa que dos modificaciones son restos ciclopentano. Por ejemplo, GDGT-IIb es un compuesto con tres ramas y dos restos de ciclopentano (un total de cinco modificaciones). Los GDGT se forman como monocapas y con enlaces de éter al glicerol, en contraposición a bicapas y con enlaces de éster como es el caso de los eucariotas y la mayoría de las bacterias. [5]
Origen biologico
Los GDGT se originan como lípidos de la membrana de las arqueas , cuyos ácidos grasos se convierten en glicerol mediante esterificación . [1] Primero fueron reconocidos como asociados con arqueas extremófilas , [2] pero la investigación en las últimas décadas también ha descubierto los compuestos en una amplia gama de ambientes mesófilos , incluidos suelos, sedimentos lacustres y depósitos marinos. [1] Las clases filogenéticas de arqueas thaumarchaeota , crenarchaeota , euryarchaeota y korarchaeota producen GDGT. [1] Los GDGT ramificados se detectan con mayor frecuencia en turbas y suelos y están más asociados con entornos terrestres. Hasta la fecha, no se han reportado pruebas directas de un organismo fuente inequívoco, pero la similitud estructural del lípido acidobacteriano con las cadenas de alquilo de brGDGT sugiere fuertemente que las acidobacterias sintetizan brGDGT. [3]
GDGT-0
GDGT-0 no tiene restos de ciclopentano y es la isoGDGT más ubicua sintetizada por arqueas. Las arqueas halófilas son el único grupo de arqueas que no se sabe que produzcan GDGT-0. [1] Los análisis de isótopos de carbono y la asociación con sitios de oxidación anaeróbica de metano sugieren que GDGT-0 se produce a través de metanótrofos . [1] En la literatura de microbiología más antigua, el GDGT-0 a veces se denomina caldarqueol . [1]
GDGT-1 - GDGT-3
GDGT-1, GDGT-2 y GDGT-3 tienen uno, dos y tres anillos de ciclopentano respectivamente dentro de sus estructuras de carbono isoprenoide bifitano, respectivamente. Thaumarchaeota son los mayores productores de estos grupos en ambientes marinos y lacustres. [1] No se cree que los metanógenos sean grandes sintetizadores de estas moléculas, con la excepción de Methanopyrus kandleri , que los produce. [1] Estas clases son más bajas en abundancia que GDGT-0 y GDGT-4 y se utilizan en el paleotermómetro TEX86 . [1]
Crenarqueol
El crenarqueol se atribuye principalmente a la thaumarchaeota oxidante de amonio y tiene cuatro anillos de ciclopentano más un anillo de ciclohexano, que lo distingue de GDGT-4 y es exclusivo del filo thaumarchaeota. [1] Es probable que la evolución del anillo de ciclohexano ajuste la densidad del empaquetamiento de la membrana para funcionar de manera más óptima a las temperaturas más frías del océano a las que se adaptó thaumarchaeota. [6] Debido a sus similitudes estructurales, crenarqueol y GDGT-4 tienen tiempos de elución GC / MS similares. [1] Son similares en prevalencia a GDGT-0 y por lo tanto no están incluidos en el paleotermómetro TEX 86 porque su abundancia abruma a los grupos GDGT menos abundantes. Sin embargo, un isómero de crenarqueol es parte del paleotermómetro TEX 86 . [7]
GDGT-5 - GDGT-8
Los GDGT -5 a -8 son casi exclusivos de entornos de temperaturas extremadamente altas, como las aguas termales. El mayor número de restos de ciclopentano facilita una estructura lipídica de membrana más densamente empaquetada, que inhibe mejor el paso transmembrana de protones e iones. Hacerlo aumenta la estabilidad térmica de las moléculas, que es necesaria para sobrevivir a temperaturas extremas. [8] [6]
Proxies basados en GDGT
TEX86
Debido a que el número de restos de ciclopentano en un compuesto de GDGT está relacionado con la temperatura del entorno de crecimiento, con un número creciente de anillos de ciclopentano que dan como resultado una mayor estabilidad térmica y permiten la supervivencia a temperaturas más altas, la distribución y abundancia de GDGT se pueden emplear como sustitutos del paleoclima . [1] TEX86 es uno de esos paleotermómetros que relaciona la distribución y la abundancia relativa de GDGT-1, GDGT-2, GDGT-3 y el isómero de crenarqueol con la temperatura pasada de la superficie del mar (SST) (ver TEX86 ). [1] GDGT-0 y GDGT-4 (crenarqueol) se excluyen de la consideración de este proxy debido a su abundancia muy alta en relación con las isoGDGT 1-3. [1] La relación entre la distribución de isoGDGT y la temperatura no es lineal, y algunos estudios han demostrado su sesgo distintivo hacia temperaturas frías poco realistas en las latitudes más bajas. [9] La investigación actual sugiere que TEX86 funciona mejor en el rango de temperatura de 15 a 34 grados Celsius. [1] La variabilidad estacional en la productividad de las arqueas y la profundidad en la columna de agua en la que crecen las arqueas debe considerarse antes de emplear este proxy. [1]
Índice BIT
El índice de tetraéter isoprenoide ramificado (BIT) relaciona las abundancias relativas de brGDGT en una muestra natural con la abundancia relativa de materia orgánica del suelo en esa muestra. Se calcula mediante la relación de una suma de abundancias de brGDGT producidas por bacterias sobre una suma de abundancias de isoGDGT de arqueas y se basa en la idea fundamental de que las brGDGT se producen con mayor frecuencia en ambientes terrestres (más ubicuos en suelos y turbas) mientras que las isoGDGT de arqueas (particularmente crenarqueol) ) se producen en ambientes marinos. [1] Si bien las advertencias y las incertidumbres analíticas siguen siendo un problema, el índice BIT es un proxy potencialmente útil para evaluar la cantidad de materia orgánica del suelo transportada fluvialmente en comparación con la materia orgánica marina. [1]
Índice MBT / CBT
Los índices de metilación de tetraéteres ramificados (MBT) y ciclación de tetraéteres ramificados (CBT) relacionan las abundancias y distribuciones de los brGDGT producidos por bacterias con los cambios relativos en el pH del suelo y la temperatura media anual del aire. [1] Se necesitan más investigaciones para evaluar el sesgo estacional, los protocolos de calibración adecuados y si las distribuciones de brGDGT registran la temperatura del aire o del suelo. [1]
Técnicas de medición
Los GDGT se identifican mediante análisis geoquímico orgánico como los grupos de cabeza polar de los lípidos de la membrana. La espectrometría de masas por cromatografía líquida de alta precisión (HPLC-MS) es el medio principal por el cual se analizan los GDGT debido a la tolerancia de este método a las altas temperaturas. [1]
Referencias
- ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z Schouten, Stefan; Hopmans, Ellen C .; Sinninghe Damsté, Jaap S. (1 de enero de 2013). "La geoquímica orgánica de glicerol dialquil glicerol tetraéter lípidos: una revisión" . Geoquímica orgánica . 54 : 19–61. doi : 10.1016 / j.orggeochem.2012.09.006 . ISSN 0146-6380 .
- ^ a b De Rosa, Mario; De Rosa, Salvatore; Gambacorta, Agata; Minale, Luigi; Bu'Lock, John D. (1 de enero de 1977). "Estructura química de los éter-lípidos de bacterias acidófilas termófilas del grupo Caldariella" . Fitoquímica . 16 (12): 1961-1965. doi : 10.1016 / 0031-9422 (77) 80105-2 . ISSN 0031-9422 .
- ^ a b Sinninghe Damsté, Jaap S .; Rijpstra, W. Irene C .; Hopmans, Ellen C .; Weijers, Johan WH; Foesel, Bärbel U .; Overmann, Jörg; Dedysh, Svetlana N. (15 de junio de 2011). "Ácido 13,16-dimetil octacosanodioico (ácido iso-diabólico), un lípido común que atraviesa la membrana de las subdivisiones 1 y 3 de las acidobacterias" . Microbiología aplicada y ambiental . 77 (12): 4147–4154. doi : 10.1128 / AEM.00466-11 . ISSN 0099-2240 . PMC 3131667 . PMID 21515715 .
- ^ Damsté, Jaap S. Sinninghe; Hopmans, Ellen C .; Pancost, Richard D .; Schouten, Stefan; Geenevasen, Jan AJ (2000). "Lípidos de tetraéter de glicerol dialquil glicerol no isoprenoides recién descubiertos en sedimentos" . Comunicaciones químicas (17): 1683–1684. doi : 10.1039 / b004517i .
- ^ Schouten, Stefan; van der Meer, Marcel TJ; Hopmans, Ellen C .; Rijpstra, W. Irene C .; Reysenbach, Anna-Louise; Ward, David M .; Sinninghe Damsté, Jaap S. (1 de octubre de 2007). "Lípidos de tetraéter de glicerol dialquil glicerol de arqueo y bacterias en aguas termales del Parque Nacional de Yellowstone" . Microbiología aplicada y ambiental . 73 (19): 6181–6191. doi : 10.1128 / AEM.00630-07 . ISSN 0099-2240 . PMC 2074994 . PMID 17693566 .
- ^ a b Damsté, Jaap S. Sinninghe; Schouten, Stefan; Hopmans, Ellen C .; van Duin, Adri CT; Geenevasen, Jan AJ (octubre de 2002). "Crenarqueol" . Revista de investigación de lípidos . 43 (10): 1641–1651. doi : 10.1194 / jlr.M200148-JLR200 . PMID 12364548 .
- ^ Sinninghe Damsté, Jaap S .; Rijpstra, W. Irene C .; Hopmans, Ellen C .; Den Uijl, Mimi J .; Weijers, Johan WH; Schouten, Stefan (1 de octubre de 2018). "La estructura enigmática del isómero crenarqueol" . Geoquímica orgánica . 124 : 22-28. doi : 10.1016 / j.orggeochem.2018.06.005 . ISSN 0146-6380 .
- ^ Rattray, Jayne E .; Smittenberg, Rienk H. (2020). "Separación de isómeros de tetraéter (GDGT) de glicerol dialquil glicerol ramificado e isoprenoide en suelos de turba y sedimentos marinos mediante cromatografía de fase inversa" . Fronteras de las ciencias marinas . 7 . doi : 10.3389 / fmars.2020.539601 . hdl : 20.500.11850 / 455576 . ISSN 2296-7745 .
- ^ Zhang, Yi Ge; Pagani, Mark; Liu, Zhonghui (4 de abril de 2014). "Una historia de la temperatura de 12 millones de años del Océano Pacífico tropical" . Ciencia . 344 (6179): 84–87. Código bibliográfico : 2014Sci ... 344 ... 84Z . doi : 10.1126 / science.1246172 . ISSN 0036-8075 . PMID 24700856 . S2CID 206552476 .