Crenarchaeol - Crenarchaeol

Crenarchaeol
Crenarchaeol.png
Jména
Název IUPAC
[(9S,12S,16S,24S,28R,31R,35S,43S,46S,50S,58S,62R,65R) -12- (Hydroxymethyl) -9,16,24,28,31,35,43,50,58,62,65-undekametyl-11,14,45,48-tetraoxahexacyklo [63.3.1.12,5.120,23.136,39154,57] triheptakontan-46-yl] methanol
Identifikátory
3D model (JSmol )
Vlastnosti
C82H154Ó6
Molární hmotnost1236.128 g · mol−1
Pokud není uvedeno jinak, jsou uvedeny údaje o materiálech v nich standardní stav (při 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
Reference Infoboxu

Crenarchaeol je glycerol dibifantanyl glycerol tetraether (GDGT) biologický membránový lipid. Má rozlišovací způsobilost cyklohexan skupina a byla navržena jako specifická biomarker pro pelagický oxidující amoniak archaea (AOA).[1] Strukturálně se molekula skládá ze dvou dlouhých uhlovodíkových řetězců, které procházejí buněčnou membránou a jsou na sebe navázány glycerol přes etherová vazba. Crenarchaeol lze v prostředí uchovat stovky milionů let a je součástí TEX86 paleotermometr, teplotní proxy pro teploty povrchu moře, který byl použit k rekonstrukci paleoklimatu až do středu jurský (~ 160 Ma).[2]

Objev a distribuce

Archaeální membrány se liší od membrán bakterií a eukaryot, protože obsahují isoprenoid GDGT namísto diacyl lipidů, které se nacházejí v jiných doménách. Bylo navrženo, že membránové lipidy GDGT jsou adaptací na vysoké teploty přítomné v domovském prostředí extremophile archaea [1] a tak se vědci setkali s překvapením v roce 1997, kdy byly v pelagických vodách detekovány neznámé archaické GDGT.[3] Neznámé GDGT byly také nalezeny v mořských sedimentech[4] a izolován od Cenarchaeum symbiosum,[5] mořský amoniak oxidující archaeon, který žije v symbióze s houby.

Po objevu GDGT mimo hydrotermální prostředí byl crenarchaeol poprvé identifikován jako hlavní složka GDGT v povrchových sedimentech a extraktech z C. symbiosum v roce 2002 dvourozměrná nukleární magnetická rezonance (2D-NMR) spektroskopie.[6] Byl pojmenován pro kmen Crenarchaeota, ke kterému se předpokládalo, že pelagické archaea oxidující amoniak, které produkují crenarchaeol, dříve, než bylo navrženo, aby mořská skupina I Crenarchaeota byla považována za odlišný kmen, Thaumarchaeota.[7]

teplé jaro
Původně se předpokládalo, že se Crenarchaeol vyrábí pouze v pelagických oceánských prostředích, ale vědci od té doby zjistili, že ho produkují také archea žijící v prostředí s vysokou teplotou, včetně horkých pramenů, jako je tento.

Crenarchaeol produkuje AOA patřící do kmene Thaumarchaeota (dříve klasifikovaného jako Marine Group 1 Crenarchaeota). Bylo potvrzeno, že je produkován čistými kulturami pelagické mezotermie C. symbiosum[6] a Nitrosopumilus maritimus,[8] stejně jako mírně teplomilný Nitrososphaera gargensis[1] a hyperthrmophilic Candidatus Nitrosocaldus yellowstonii.[9] Objev, který crenarchaeol dovnitř Ca. N. yellowstonii a N. gargensis vyvrátil předchozí shodu, že crenarchaeol byl specifický pro mezotermní Thaumarchaeota, a naznačuje, že se nachází v kmeni širší.

Kontroverze

Jedna metagenomická studie hloubkového rozložení archaeal clades v Jižní Pacifik Gyre navrhl, že crenarchaeol není exkluzivní pro Thaumarchaeota, ale je také vyráběn Marine Group II Euryarchaeota.[10] Žádní členové Marine Group II však dosud nebyli kultivováni[11] a konfliktní údaje o životním prostředí nadále podporují hypotézu, že crenarchaeol je exkluzivní pro Thaumarchaeota.[12]

V biologii

Chemie a funkce

Stejně jako ostatní GDGT je crenarchaeol membránový lipid s odlišnými vlastnostmi hydrofobní a hydrofilní regionech. Dlouhý, nepolární uhlovodík řetězce jsou hydrofobní, zatímco etherové vázané glycerolové hlavní skupiny jsou polární a hydrofilní. Ve většině organismů se buněčná membrána skládá z a lipidová dvojvrstva ve kterém fosfolipidy uspořádat tak, aby jejich hydrofobní nepolární uhlovodíkové ocasy směřovaly dovnitř k sobě a jejich hydrofilní polární skupiny hlav směřovaly ven, aby se spojily s polárním prostředím cytoplazma nebo exteriér buňky. Tuto organizaci propaguje hydrofobní účinek, díky čemuž je pro hydrofobní molekuly energeticky výhodné izolovat se od vodného prostředí. Protože GDGT mají dvě hydrofilní skupiny hlav, tvoří lipidovou monovrstvu v buněčné membráně namísto dvouvrstvy, takže je archaea produkující GDGT výjimečná mezi všemi druhy života.[13] Původně se věřilo, že membránové lipidy GDGT jsou adaptací na život při vysokých teplotách a kyselosti. Protože dvě strany jednovrstvého lipidu jsou spojeny kovalentní vazby spíše než slabší mezimolekulární síly které podporují soudržnost dvojvrstev, jsou stabilnější než typické dvojvrstvy.[13] Tato hypotéza je podporována pozorováním, že některé extremofilní bakterie syntetizují své vlastní membránově rozložené, etherem vázané analogy GDGT.[14] Cyklické skupiny GDGT mohou být také adaptací na hypertermální podmínky,[6] a počet kruhů v dlouhých uhlovodíkových řetězcích GDGT je závislý na teplotě.[15] Crenarchaeol má dvě cyklopentylové skupiny na jednom ze svých uhlovodíkových řetězců a jednu cyklohexylovou a dvě cyklopentylové skupiny na druhém.

Objev, že crenarchaeol a další GDGT jsou produkovány organismy žijícími v mezotermální prostředí zpochybnila hypotézu o hypertermální adaptaci.[13] Bylo navrženo, že výrazná cyklohexylová část crenarchaeolu je adaptací na pelagický život, protože vytváří „zlom“ v jednom z uhlovodíkových řetězců crenarchaeolu, který brání těsnému zabalení lipidů v membráně, což by bylo příznivé za vysokých teplot, ale nepříznivé za mírné.[6]

Konzervace a degradace v sedimentech

Crenarchaeol a další GDGT mohou být v prostředí uchovány stovky milionů let[2] za správných podmínek. Většina GDGT degraduje na 240 až 300 °C a tak se nenacházejí ve skalách, které byly podrobeny ohřevu na teploty vyšší než 300 °C.[16] GDGTs podléhají degradaci, když jsou vystaveny kyslíku, ale relativní koncentrace sedimentu GDGTs mají tendenci zůstat stejné i během degradace, což znamená, že degradace neinterferuje s proxy jako TEX86[17] které jsou založeny na poměrech různých GDGT.

Cyklus mořského dusíku

Oxidace amoniaku je důležitou součástí dusíkový cyklus, a biogeochemický cyklus který cykluje dusík v různých biologických a minerálních formách. Bylo prokázáno, že AOA dominuje oxidaci amoniaku v oceánech[18][19] a proto byl jako specifický biomarker pro oxidaci AOA a amoniaku navržen crenarchaeol, o kterém se obecně předpokládá, že je vyráběn výhradně společností AOA (konkrétně Thaumarchaeota). Bylo zjištěno, že hojnost crenarchaeolu sleduje sezónní rozkvět AOA, což naznačuje, že může být vhodné použít hojnost crenarchaeolu jako zástupce populací AOA[20] a tedy obecněji oxidaci amoniaku. Nicméně objev Thaumarchaeota, které nejsou povinné oxidace amoniaku[21] komplikuje tento závěr,[11] stejně jako jedna studie, která naznačuje, že crenarchaeol může vyrábět Marine Group II Euryarchaeota.[10]

TEX86 paleotermometr

Počet kruhů v uhlovodíkových řetězcích GDGT závisí na teplotě a poskytuje základ pro TEX86 paleothermometer, proxy pro měření teploty starověkého povrchu moře (SST)[22] která se opírá o měření množství crenarchaeolu a jeho izomerů. Crenarchaeol má regioizomer které na základě radiokarbonové analýzy mohou mít jiný původ než jiné izoprenoidové GDGT. Možné zdroje pro regioizomer zahrnují bentické archaea a diagensis crenarchaeolu, protože regioizomer se vyskytuje v malém množství v povrchových vodách a v kulturách pelagické thaumarchaea. Navzdory tomu, pokud je vyloučen z TEXu86 výpočty, korelace paleotermometru s teplotou povrchu moře se stává méně patrnou, což naznačuje, že je nezbytnou součástí TEXu86.[23]

Izolace a měření

GDGT, jako je crenarchaeol, lze analyzovat pomocí vysoce účinná kapalinová chromatografie /chemická ionizace za atmosférického tlaku -hmotnostní spektrometrie (HPLC / APCI-MS) po extrakci a kyselá hydrolýza.[24] Kyselá hydrolýza štěpí skupiny polárních hlav z molekuly a zanechává za sebou nepolární řetězce. To je nutné pro chromatografii, která není vhodná pro analýzu polárních molekul. Ukázalo se, že pro GDGT je účinná řada extrakčních technik. Jednou běžnou metodou je extrakce pomocí ultrazvuk s methanolem a následným promytím nepolárního rozpouštědla dichlormethan (DCM).[24] GDGT mají charakteristiku [M + H]+ - 18 a [M + H]+ - 74 iontů[24] že pro crenarchaeol mají hmotnost 1218, respektive 1162 Da. Relativní množství GDGT lze určit integrací oblastí píku jejich charakteristických iontů.

Reference

  1. ^ A b C Pitcher A, Rychlik N, Hopmans EC, Spieck E, Rijpstra WI, Ossebaar J, Schouten S, Wagner M, Damsté JS (duben 2010). „Crenarchaeol dominuje membránovým lipidům Candidatus Nitrososphaera gargensis, termofilní skupině I.1b Archaeon“. Časopis ISME. 4 (4): 542–52. doi:10.1038 / ismej.2009.138. PMID  20033067.
  2. ^ A b Jenkyns, H. C .; Schouten-Huibers, L .; Schouten, S .; Sinninghe Damsté, J. S. (02.02.2012). „Teplá střední jura – raně křída s vysokou šířkou povrchu moře od jižního oceánu“. Klima minulosti. 8 (1): 215–226. Bibcode:2012CliPa ... 8..215J. doi:10.5194 / cp-8-215-2012. ISSN  1814-9332.
  3. ^ Hoefs M, Schouten S, De Leeuw JW, King LL, Wakeham SG, Damste J (srpen 1997). „Etherové lipidy planktonické archaea v mořském vodním sloupci“. Aplikovaná a environmentální mikrobiologie. 63 (8): 3090–5. doi:10.1128 / AEM.63.8.3090-3095.1997. PMC  1389224. PMID  16535669.
  4. ^ Schouten S, Hopmans EC, Pancost RD, Damste JS (prosinec 2000). „Rozšířený výskyt strukturně různorodých lipidů tetraetherové membrány: důkazy o všudypřítomné přítomnosti nízkoteplotních příbuzných hypertermofilů“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 97 (26): 14421–6. doi:10.1073 / pnas.97.26.14421. PMC  18934. PMID  11121044.
  5. ^ DeLong EF, King LL, Massana R, Cittone H, Murray A, Schleper C, Wakeham SG (březen 1998). „Dibifytanyletherové lipidy v nettermofilních crenarchaeotech“. Aplikovaná a environmentální mikrobiologie. 64 (3): 1133–8. doi:10.1128 / AEM.64.3.1133-1138.1998. PMC  106379. PMID  9501451.
  6. ^ A b C d Damsté JS, Schouten S, Hopmans EC, van Duin AC, Geenevasen JA (říjen 2002). "Crenarchaeol: charakteristické jádro glycerol dibifytanyl glycerol tetraetherový membránový lipid kosmopolitní pelagické crenarchaeoty". Journal of Lipid Research. 43 (10): 1641–51. doi:10.1194 / ml. M200148-JLR200. PMID  12364548.
  7. ^ Brochier-Armanet C, Boussau B, Gribaldo S, Forterre P (březen 2008). „Mesophilic Crenarchaeota: Návrh na třetí archaeal kmen, Thaumarchaeota“. Recenze přírody. Mikrobiologie. 6 (3): 245–52. doi:10.1038 / nrmicro1852. PMID  18274537. S2CID  8030169.
  8. ^ Schouten S, Hopmans EC, Baas M, Boumann H, Standfest S, Könneke M, Stahl DA, Sinninghe Damsté JS (duben 2008). "Intaktní membránové lipidy" Candidatus Nitrosopumilus maritimus, "kultivovaný zástupce kosmopolitní mezofilní skupiny I Crenarchaeota". Aplikovaná a environmentální mikrobiologie. 74 (8): 2433–40. doi:10.1128 / AEM.01709-07. PMC  2293165. PMID  18296531.
  9. ^ de la Torre JR, Walker CB, Ingalls AE, Könneke M, Stahl DA (březen 2008). "Pěstování termofilního amoniaku oxidujícího archaeonu syntetizujícího crenarchaeol". Mikrobiologie prostředí. 10 (3): 810–8. doi:10.1111 / j.1462-2920.2007.01506.x. PMID  18205821.
  10. ^ A b Lincoln SA, Wai B, Eppley JM, Church MJ, Summons RE, DeLong EF (červenec 2014). „Planktonic Euryarchaeota jsou významným zdrojem archaálních lipidů tetraetheru v oceánu“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 111 (27): 9858–63. Bibcode:2014PNAS..111.9858L. doi:10.1073 / pnas.1409439111. PMC  4103328. PMID  24946804.
  11. ^ A b Rush D, Sinninghe Damsté JS (červen 2017). „Lipidy jako paleomarkery omezující cyklus mořského dusíku“. Mikrobiologie prostředí. 19 (6): 2119–2132. doi:10.1111/1462-2920.13682. PMC  5516240. PMID  28142226.
  12. ^ Villanueva L, Schouten S, Damsté JS (leden 2017). „Fylogenomická analýza lipidových biosyntetických genů Archaey osvětlila rozdělení lipidů'" (PDF). Mikrobiologie prostředí. 19 (1): 54–69. doi:10.1111/1462-2920.13361. PMID  27112361. S2CID  6255941.
  13. ^ A b C Schouten, Stefan; Hopmans, Ellen C .; Sinninghe Damsté, Jaap S. (01.01.2013). "Organická geochemie glycerol dialkyl glycerol tetraether lipidů: přehled". Organická geochemie. 54: 19–61. doi:10.1016 / j.orggeochem.2012.09.006. ISSN  0146-6380.
  14. ^ Langworthy TA, Holzer G, Zeikus JG, Tornabene TG (01.01.1983). "Iso- a anteiso-rozvětvené glycerolové diethery termofilní anaerobní termodesulfotobakterie". Systematická a aplikovaná mikrobiologie. 4 (1): 1–17. doi:10.1016 / S0723-2020 (83) 80029-0. PMID  23196295.
  15. ^ Schouten, Stefan; Hopmans, Ellen C .; Schefuß, Enno; Sinninghe Damsté, Jaap S. (2002). „Distribuční variace v lipidech mořských crenarchaeotálních membrán: nový nástroj pro rekonstrukci starých teplot mořské vody?“. Dopisy o Zemi a planetách. 204 (1–2): 265–274. Bibcode:2002E & PSL.204..265S. doi:10.1016 / S0012-821X (02) 00979-2.
  16. ^ Schouten, Stefan; Hopmans, Ellen C .; Schefuß, Enno; Sinninghe Damsté, Jaap S. (2002-11-30). „Distribuční variace v lipidech mořských crenarchaeotálních membrán: nový nástroj pro rekonstrukci starých teplot mořské vody?“. Dopisy o Zemi a planetách. 204 (1): 265–274. Bibcode:2002E & PSL.204..265S. doi:10.1016 / S0012-821X (02) 00979-2. ISSN  0012-821X.
  17. ^ Mollenhauer, Gesine; Eglinton, Timothy I .; Hopmans, Ellen C .; Sinninghe Damsté, Jaap S. (2008-08-01). „Radiokarbonové hodnocení ochranných charakteristik crenarchaeolu a alkenonů z kontinentálních okrajových sedimentů“ (PDF). Organická geochemie. Pokroky v organické geochemii 2007. 39 (8): 1039–1045. doi:10.1016 / j.orggeochem.2008.02.006. hdl:1912/2459. ISSN  0146-6380.
  18. ^ Karner MB, DeLong EF, Karl DM (leden 2001). „Archaická dominance v mezopelagické zóně Tichého oceánu“. Příroda. 409 (6819): 507–10. Bibcode:2001 Natur.409..507K. doi:10.1038/35054051. PMID  11206545. S2CID  6789859.
  19. ^ Könneke M, Bernhard AE, de la Torre JR, Walker CB, Waterbury JB, Stahl DA (září 2005). "Izolace autotrofního amoniaku oxidujícího mořského archeona". Příroda. 437 (7058): 543–6. Bibcode:2005 Natur.437..543K. doi:10.1038 / nature03911. PMID  16177789. S2CID  4340386.
  20. ^ Džbán, Angela; Wuchter, Cornelia; Siedenberg, Kathi; Schouten, Stefan; Sinninghe Damsté, Jaap S. (2011). „Crenarchaeol sleduje zimní květy amoniaku oxidujícího Thaumarchaeota v pobřežním Severním moři“ (PDF). Limnologie a oceánografie. 56 (6): 2308–2318. Bibcode:2011LimOc..56.2308P. doi:10.4319 / lo.2011.56.6.2308. ISSN  0024-3590.
  21. ^ Mussmann M, Brito I, Pitcher A, Sinninghe Damsté JS, Hatzenpichler R, Richter A, Nielsen JL, Nielsen PH, Müller A, Daims H, Wagner M, Head IM (říjen 2011). „Thaumarchaeotes hojné v rafinačních nitrifikačních kalech vyjadřují amoA, ale nejsou povinnými autotrofními oxidačními činidly amoniaku“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 108 (40): 16771–6. Bibcode:2011PNAS..10816771M. doi:10.1073 / pnas.1106427108. PMC  3189051. PMID  21930919.
  22. ^ Kim, Jung-Hyun; van der Meer, Jaap; Schouten, Stefan; Helmke, Peer; Willmott, Veronica; Sangiorgi, Francesca; Koç, Nalân; Hopmans, Ellen C .; Damsté, Jaap S. Sinninghe (2010-08-15). "Nové indexy a kalibrace odvozené z distribuce crenarchaeal isoprenoidových tetraether lipidů: Důsledky pro rekonstrukce povrchové teploty v minulosti moře". Geochimica et Cosmochimica Acta. 74 (16): 4639–4654. Bibcode:2010GeCoA..74,4639K. doi:10.1016 / j.gca.2010.05.027. ISSN  0016-7037.
  23. ^ Shah, Sunita R .; Mollenhauer, Gesine; Ohkouchi, Naohiko; Eglinton, Timothy I .; Pearson, Ann (2008). „Počátky archaeálních lipidů tetraetheru v sedimentech: poznatky z radiokarbonové analýzy“. Geochimica et Cosmochimica Acta. 72 (18): 4577–4594. Bibcode:2008GeCoA..72.4577S. doi:10.1016 / j.gca.2008.06.021. hdl:1912/2486.
  24. ^ A b C Schouten S, Huguet C, Hopmans EC, Kienhuis MV, Damsté JS (duben 2007). „Analytická metodologie pro paleotermometrii TEX86 pomocí vysoce účinné kapalinové chromatografie / chemické ionizace za atmosférického tlaku - hmotnostní spektrometrie“. Analytická chemie. 79 (7): 2940–4. doi:10.1021 / ac062339v. PMID  17311408.