סקירה כללית של ניתוח סמנים ביולוגיים bGDGT עבור פליאוקלימטולוגיה
English
Share
Overview
מקור: המעבדה של ג’ף סלקופ – אוניברסיטת מסצ’וסטס אמהרסט
במהלך סדרה זו של קטעי וידאו, דגימות טבעיות חולצו וטהרו בחיפוש אחר תרכובות אורגניות, הנקראות סמנים ביולוגיים, שיכולים לקשר מידע על אקלים וסביבות של העבר. אחת הדגימות שניתחו הייתה משקעים. משקעים מצטברים על פני זמן גיאולוגי באגנים, שקעים בכדור הארץ שאליהם זורמים משקעים דרך פעולת נוזלים (מים או אוויר), תנועה וכוח משיכה. קיימים שני סוגים עיקריים של אגנים, ימיים (אוקיינוסים וימים) ולקאסטרין (אגמים). כפי שניתן לנחש, סוגים שונים מאוד של חיים חיים בהגדרות אלה, מונע במידה רבה על ידי ההבדל במליחות ביניהם. במהלך העשורים האחרונים, גיאוכימאים אורגניים גילו ארגז כלים של שלוחי סמנים ביולוגיים, או תרכובות שניתן להשתמש בהן לתיאור האקלים או הסביבה, שחלקן עובדות בסביבות ימיות וחלקן פועלות בלקוסטרין. אנו מסבים את תשומת לבנו כאן לתחום הלקוסטרין ולגליצרי גליצרול טליצריל מסועפים (איור1).
בסעיף זה אנו מתמקדים בניתוח של פליאוטמפרטורה יבשתית באמצעות קשרי גליצרול גליצריל מסועפים(איור 1; brGDGTs) ואת פרוקסי MBT / CBT. פרוקסי זה תואר בתחילה על ידי Weijers ואח ‘. 1 ומבוסס על התפלגות מבני טבעת וענף ב brGDGTs. הם מצאו כי cyclization של tetraethers מסועפים (CBT) היה קשור ישירות pH הקרקע.
CBT = -log ((Ib + IIb) / (I + II))
וכי מתילציה של טטראת’רס מסועפים (MBT) נקבעה על ידי טמפרטורת אוויר שנתית ממוצעת (MAAT) ובמידה פחותה, pH קרקע.
MBT = (I + Ib + Ic) / (I + Ib + Ic) + (II + IIb + IIc) + (III + IIIb + IIIc)
לכן, נלקח יחד מכויל, MBT / CBT מתייחס התפלגות brGDGTs הן טמפרטורת הקרקע ו- pH.
MBT = 0.122 + (0.187 x CBT) + (0.020 x MAAT)
GDGTs מסועפים נחשבים ממברנה משתרעת שומנים ואת הייצור שלהם יוחס בתחילה חיידקי חומצה אנאירובית החיים בקרקעות וכבול2-5, אבל העבודה שלאחר מכן הציעה שהם יכולים להיות מיוצרים גם אגם אוקסי ואנוקסי ועמודי מים ימיים משקעים6-9. ההשערה גורסת כי Acidobacteria להפוך אתרים של מתילציה לתוך ציקלציות בתגובה להורדת הטמפרטורה על מנת להגביר את הבלתי רוויה (cyclization ביעילות מסיר שני אטומי מימן) ולשמור על נזילות הממברנה (על ידי אנלוגיה, שומן רווי (חמאה) הוא מוצק טמפרטורת חדר בעוד שומן בלתי רווי (שמן זית) הוא נוזל), אבל GDGTs מסועף עדיין לא זוהו כמו שומנים הממברנה העיקרית בתרביות Acidobacteria. לפיכך מוצאם המדויק אינו ידוע.
כיול של GDGTs מסועפים למשתנים סביבתיים (טמפרטורה, pH, מליחות, משקעים וכו ‘) הוא נושא למחקר נרחב. מעבדות גיאוכימיה אורגניות בכל רחבי העולם מעורבות במשימה לפתח כיול גלובלי של1,10 ו-11-13 אזורי בין GDGTs מסועף לבין טמפרטורה (בעיקר). לפיכך, המשוואות שניתנו לעיל משוכללות ומשוכללות באופן קבוע.
GDGTs מסועף מופקים בדרך כלל משקעים לקוסטרין, אם כי משקעים ימיים החוף נחקרו גם. התמציות עוברות עמוד ג’ל סיליקה כדי לטהר את GDGTs מתרכובות אחרות אשר לא יכול להיות LC מקובל או שעשוי לחמוק יחד עם GDGTs כרומטוגרפית. GDGTs לצאת בשבר הקוטב כי חמק במתנול.
לאחר תמצית השומנים הכוללת מטוהרת, המדגם המופק והמטוהר מופעל על כרומטוגרפיה נוזלית ביצועים גבוהים בשילוב ספקטרומטר מסה יינון כימי. הריכוז היחסי של GDGTs נקבע על ידי קבלת השטח מתחת לעקומה עבור יון המסה שנבחר (m/z; איור 1) עבור כל אחת מהתרכובות על תוכנת מחשב המיועדת למטרה זו בלבד (כגון Agilent Chemstation). אזורים אלה מוכנסים למשוואת הכיול שנבחרה כדי להגיע לקביעה פליאוטמפרקטורית.
איור 1. מבנים של GDGTs המסתעפים המשמשים לחישוב הטמפרטורה באמצעות פרוקסי MBT / CBT (בשימוש באישורו של ד”ר איסלה Castañeda, שהפיק את התמונה). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
תרכובות אורגניות הנקראות סמנים ביולוגיים יכולות לשמש במדעי כדור הארץ כפלאות’רמומטרים כדי לקשר מידע על אקלים וסביבות של העבר.
אורגניזמים חיים מייצרים סמנים ביולוגיים אלה, המספקים לנו מידע על הסביבה שבה הם חיו. הם יכולים לשמש כבא כוח לספר לנו מידע על אירועי עבר, כמו טמפרטורת כדור הארץ לפני מיליוני שנים.
פליאוטמפרטורה יבשתית ניתן לנתח באמצעות סמנים ביולוגיים שנמצאו משקעים מאגני מים מתוקים. מחלקה מרכזית אחת של סמנים ביולוגיים אלה הם גליצרל דיאלק גליצרול tetraethers מסועף, או GDGTs מסועף.
וידאו זה יציג את תחום המחקר, הנקרא פליאוקלימטולוגיה, אשר חוקר שינויים בעבר בסביבות מים מתוקים במשך מאות מיליוני שנים. זה עוזר לברוח האקלים הנוכחי והעתידי ושינויים סביבתיים.
משקעים מצטברים לאורך זמן גיאולוגי, עקב תנועת נוזלים וכוח המשיכה, באגנים מ משקעים, או באזורים נמוכים בקרום כדור הארץ. אגני משקעים כוללים אוקיינוסים, האוספים משקעים ימיים, או אגמים, האוספים משקעי לקסטרין. אגני ים ולקאסטרין מכילים סוגים שונים של אורגניזמים, המונעים במידה רבה על ידי ההבדל במליחות ביניהם. לכן, אגני ים ולקאסטרין מכילים סמנים ביולוגיים שונים.
GDGTs מסועף נחשבים שומנים המשתרעים על פני הממברנה של חומצה אנאירובית. מחקרים מראים כי האורגניזמים המייצרים משנים את תכונות הממברנה בתגובה לשינוי הטמפרטורה.
שינוי זה נגרם על ידי טרנספורמציה של אתרים מתילאט על GDGT הסתעף לאתרים מחזוריים בטמפרטורות קרות יותר, ובכך לשפר את נזילות הממברנה. שינוי זה במבנה יכול להיות מתואם לטמפרטורה באמצעות פרוקסי. פרוקסי הם תופעות פיזיות הניתנות למדידה התואמות למשתנה לא ינות.
פרוקסי זה מתייחס למספר המתילציות או MBT, וציקליזציה, או CBT, בסמן הביולוגי לטמפרטורה. משוואה שמקורה באופן ניסיוני יכולה לקשר את MBT ו- CBT לטמפרטורת האוויר השנתית הממוצעת בעבר.
כדי לחקור את הקשר בין סמנים ביולוגיים מסועפים GDGT וטמפרטורת הקרקע, משקעים לקוסטרין חייב להיות נאסף, מופק על ידי אחת משלוש טכניקות, מטוהר, וניתח.
כדי להתחיל לחקור את הקשר בין סמנים ביולוגיים מסועפים GDGT וטמפרטורת הקרקע, מולקולות השומנים מופקות תחילה משקעים לקוסטרינים, באמצעות מגוון טכניקות. מיצוי באמצעות sonication היא השיטה הפשוטה והפחות יקרה של קבלת תמצית השומנים הכוללת, או TLE, מדגם מ משקעים. בשביל זה, אמבטיה קולית משמשת כדי להתסיס את המדגם בחקירה המכילה ממס אורגני. תערובת של מתנול ודיכלורומתאן משמשת לחילוץ סמנים ביולוגיים עם מגוון רחב של קוטביות. טכניקת מיצוי נוספת משתמשת מיצוי Soxhlet. מחלץ Soxhlet מאפשר ריפלוקס, או רכיבה מתמדת, של ממס אורגני מבקבוקון עגול התחתון כלפי מעלה לתוך מדחוס, אשר מקורר על ידי מים קרים ומוחזר. הממס המרוכז נופל לתוך אצבעון סיבי זכוכית המכיל את המדגם. לאחר התמלאות, התא שואב את הממס האורגני בחזרה לבקבוקון העגול התחתון, ומאפשר מיצוי רציף לאורך זמן.
טכניקה זו מסייעת בהפקת מסות משקעים גדולות, ובהכנת כמויות גדולות של סטנדרטים לכיול מכשירים. לבסוף, מיצוי ממס מואץ, או ASE, היא שיטת מיצוי סימן מסחרי המשתמש בטמפרטורה גבוהה ולחץ כדי להגדיל את הקינטיקה של תהליך החילוץ. מכשיר ASE מכיל עד 24 דגימות בודדות, ומאפשר שליטה מדויקת בכל הפרמטרים בתהליך החילוץ. בשל המהירות שלה ואת הפשטות של השימוש, ASE משמש בדרך כלל כשיטה סטנדרטית של מיצוי ממס.
לאחר מדגם השומנים מופק באמצעות אחת הטכניקות האלה, הוא מטוהר כהכנה לניתוח. בדרך כלל, כרומטוגרפיה של עמוד ג’ל סיליקה משמשת לטיהור דגימת השומנים בהתבסס על הקוטביות שלה. בשביל זה, עמוד זכוכית קטן טעון עם אבקה דקה של סיליקה, הנקרא ג’ל. לאחר מכן העמודה רוויה בממס קוטבי, בדרך כלל הקסאן, ולאחר מכן המדגם נטען בחלק העליון. ההפרדה של התמצית מבוססת על הזיקה של תרכובת היעד עבור השלב המוצק או שלב הממס.
תרכובות קוטביות, במקרה זה של GDGT מסועף, נמשכות יותר לסיליקה הקוטבית מאשר להקסאן הקוטבי. לפיכך, התרכובות הקוטביות, כגון פחמימנים, תרכובות אמצע הקוטב, כגון קטונים ואלכוהול, ותרכובות הקוטביות ביותר, יטיילו בעמודה בקצבים שונים ובתגובה לממסים של קוטביות גוברת.
לאחר מכן נאספים האלונים בשברים נפרדים.
GDGT המטוהר מנותח לאחר מכן באמצעות כרומטוגרפיה נוזלית בעלת ביצועים גבוהים בשילוב ספקטרומטר מסה, או LC-MS. LC-MS מפריד תחילה בין התרכובות, ולאחר מכן מנתח אותן בהתבסס על יחס המסה לטעינה שלהן.
זה מאפשר לקבוע את הריכוז היחסי של כל סוג של GDGT באמצעות האזור מתחת לעקומה עבור יון המסה שנבחר. MBT מחושב כשבר של הקבוצה 1 מולקולות לסכום הכולל.
CBT מחושב לאחר מכן כיומן שלילי באמצעות מולקולות בקבוצות 1 ו -2. MBT ו- CBT מחוברים למשוואה שמקורה באופן ניסיוני, על מנת להגיע לנחישות פליאוטמטורה.
הקביעה של פליאוטמפרטורה באמצעות שלוסי סמנים ביולוגיים שימושית במגוון יישומים במדעי כדור הארץ.
ראשית, פליאותרמיה מאפשרת לקבוע את טמפרטורת כדור הארץ על פני פרקי זמן ארוכים. בטכניקות שונות, טמפרטורת כדור הארץ הוערכה כבר 500 מיליון שנה. זה אומר לנו את מעטפת הטמפרטורה שבה התפתחו צורות חיים שונות ומודיע על השפעות הטמפרטורה על הביוספירה, ההידרוספירה, הליטוספירה והאטמוספירה של כדור הארץ בעבר, ובהרחבה, על העתיד.
מגמות עדכניות יותר בטמפרטורת כדורי הארץ ניתן לכמת גם נגד רשומות שנבנו באמצעות פליאותרמיה. טמפרטורת פני השטח של כדור הארץ עלתה בכמעט 1 מעלות משנת 1850 ועד היום עם מגמת התחממות מודגשת בשני העשורים האחרונים. כדי להבין את ההשפעה האנתרופוגנית על האקלים העולמי, יש לפתח רשומות פליאוקלימט מדויקות ולהשתמש בהן כהקשר.
הרגע צפית בסקירה הכללית של JoVE על גליצרול דיאלקיל גליצריל טטרהר פליאות’רמומטר. עכשיו אתה צריך להבין איך סמנים ביולוגיים GDGT המסתעף משמשים, ואת הטכניקה הכוללת של חילוץ וטיהור אותם. הסרטונים הבאים בסדרה זו ייכנסו לפרטים נוספים על תהליך מורכב זה.
תודה שצפיתם!
Procedure
References
- Weijers, J. W. H. et al. Environmental controls on bacterial tetraether membrane lipid distribution in soils, Geochimica et Cosmochimica Acta, 71(3), 703-713 (2007).
- Damste, J. S. S. et al. 13,16-Dimethyl Octacosanedioic Acid (iso-Diabolic Acid), a Common Membrane-Spanning Lipid of Acidobacteria Subdivisions 1 and 3. Appl Environ Microb, 77, 4147-4154 (2011).
- Hopmans, E. C. et al. A novel proxy for terrestrial organic matter in sediments based on branched and isoprenoid tetraether lipids, Earth and Planetary Science Letters, 224(1-2), 107-116 (2004).
- Weijers, J. W. H. et al. Membrane lipids of mesophilic anaerobic bacteria thriving in peats have typical archaeal traits. Environ Microbiol, 8, 648-657 (2006).
- Weijers, J. W. H., Schouten, S., Spaargaren, O. C., Damste, J. S. S. Occurrence and distribution of tetraether membrane lipids in soils: Implications for the use of the TEX86 proxy and the BIT index. Organic Geochemistry, 37, 1680-1693 (2006).
- Chappe, B., Albrecht, P., Michaelis, W. Polar Lipids of Archaebacteria in Sediments and Petroleums. Science, 217, 65-66 (1982).
- Peterse, F. et al. Constraints on the application of the MBT/CBT palaeothermometer at high latitude environments (Svalbard, Norway). Organic Geochemistry, 40, 692-699 (2009).
- Tierney, J. E., Russell J. M. Distributions of branched GDGTs in a tropical lake system: Implications for lacustrine application of the MBT/CBT paleoproxy, Organic Geochemistry, 40(9), 1032-1036 (2009).
- Zhu, C. et al. Sources and distributions of tetraether lipids in surface sediments across a large river-dominated continental margin. Organic Geochemistry, 42, 376-386 (2011).
- Pearson, E. J. et al. A lacustrine GDGT-temperature calibration from the Scandinavian Arctic to Antarctic: Renewed potential for the application of GDGT-paleothermometry in lakes. Geochimica et Cosmochimica Acta. 75, 6225-6238 (2011).
- Damste, J. S. S., Ossebaar, J., Schouten, S., Verschuren, D. Altitudinal shifts in the branched tetraether lipid distribution in soil from Mt. Kilimanjaro (Tanzania): Implications for the MBT/CBT continental palaeothermometer. Organic Geochemistry, 39, 1072-1076 (2008).
- Loomis, S. E., Russell, J. M., Ladd, B., Street-Perrott, F. A., Damste, J. S. S. Calibration and application of the branched GDGT temperature proxy on East African lake sediments. Earth and Planetary Science Letters, 357, 277-288 (2012).
- Tierney, J. E. et al. Environmental controls on branched tetraether lipid distributions in tropical East African lake sediments. Geochimica et Cosmochimica Acta, 74, 4902-4918 (2010).
Transcript
Organic compounds called biomarkers can be used in Earth Science as paleothermometers to relate information on climates and environments of the past.
Living organisms produce these biomarkers, which provide us with information about the environment in which they lived. They can act as a proxy to tell us information about past events, like the Earth’s temperature millions of years ago.
Terrestrial paleotemperature can be analyzed using biomarkers found in sediment from fresh-water basins. One key class of these biomarkers are branched glycerol dialkyl glycerol tetraethers, or branched GDGTs.
This video will introduce the area of study, called paleoclimatology, which investigates past changes in fresh-water environments over hundreds of millions of year. This helps elucidate current and future climate and environmental changes.
Sediments accumulate over geologic time, due to fluid movement and gravity, in sedimentary basins, or low areas in the Earth’s crust. Sedimentary basins include oceans, which collect marine sediment, or lakes, which collect lacustrine sediment. Marine and lacustrine basins contain different types of organisms, driven in large part by the difference in salinity between them. Thus, marine and lacustrine basins contain different biomarkers.
Branched GDGTs are thought to be membrane-spanning lipids of anaerobic acidobacteria. Research suggests that the producing organisms change membrane properties in response to changing temperature.
This change is caused by the transformation of methylated sites on the branched GDGT’s to cyclized sites at colder temperatures, thereby enhancing membrane fluidity. This change in structure can then be correlated to temperature through a proxy. Proxies are measureable physical phenomena that are correlated to immeasurable variable.
This proxy relates the number of methylations or MBT, and cyclizations, or CBT, in the biomarker to temperature. An experimentally-derived equation can relate MBT and CBT to the past Mean Annual Air Temperature.
To study the relationship between branched GDGT biomarkers and soil temperature, lacustrine sediment must be collected, extracted by one of three techniques, purified, and analyzed.
To begin studying the relationship between branched GDGT biomarkers and soil temperature, the lipid molecules are first extracted from lacustrine sediments, using a variety of techniques. Extraction via sonication is the simplest and least expensive method of obtaining the total lipid extract, or TLE, from a sediment sample. For this, an ultrasonic bath is used to agitate the sample in a vial containing organic solvent. A mixture of methanol and dichloromethane is used to extract biomarkers with a wide range of polarities. Another extraction technique utilizes Soxhlet extraction. A Soxhlet extractor enables the reflux, or continuous cycling, of organic solvent from a round-bottom flask upward into a condenser, which is cooled by cold water and returned. The condensed solvent falls into a glass fiber thimble containing the sample. Once full, the chamber siphons the organic solvent back into the round-bottom flask, enabling continuous extraction over time.
This technique is helpful in the extraction of large sediment masses, and the preparation of large volumes of standards for instrument calibration. Finally, accelerated solvent extraction, or ASE, is a trademarked method of extraction that utilizes high temperature and pressure to increase the kinetics of the extraction process. The ASE instrument holds up to 24 individual samples, and allows for precise control of all parameters in the extraction process. Due to its speed and simplicity of use, ASE is commonly used as the standard method of solvent extraction.
Once the lipid sample is extracted using one of these techniques, it is purified in preparation for analysis. Typically, silica gel column chromatography is used to purify the lipid sample based on its polarity. For this, a small glass column is loaded with a fine powder of silica, called a gel. The column is then saturated with an apolar solvent, typically hexane, and then the sample loaded on the top. The separation of the extract is based on the affinity of the target compound for either the solid phase or the solvent phase.
Polar compounds, in this case branched GDGT’s, are more attracted to the polar silica than the apolar hexane. Thus, the apolar compounds, such as hydrocarbons, the mid-polar compounds, such as ketones and alcohols, and the highly polar compounds, will travel the column at different rates and in response to solvents of increasing polarity.
The eluents are then collected in separate fractions.
The purified GDGT’s are then analyzed using high performance liquid chromatography coupled to a mass spectrometer, or LC-MS. LC-MS first separates the compounds, and then analyzes them based on their mass-to-charge ratio.
This enables the determination of the relative concentration of each type of GDGT using the area under the curve for the selected mass ion. MBT is calculated as the fraction of the group 1 molecules to the total.
CBT is then calculated as a negative log using molecules in groups 1 and 2. MBT and CBT are then plugged into an experimentally-derived equation, in order to arrive at a paleotemperature determination.
The determination of paleotemperature using biomarker proxies is useful in a range of applications in earth science.
First, paleothermometry enables the determination of the Earth’s temperature over long periods of time. Using various techniques, the temperature of Earth has been estimated as far back as 500 million years. This tells us the envelope of temperature within which different forms of life evolved and informs investigations of the effects of temperature on Earth’s biosphere, hydrosphere, lithosphere, and atmosphere in the past, and by extension, the future.
More recent trends in the Earths temperature can also be quantified against records constructed using paleothermometry. The Earths surface temperature has increased by nearly 1 degree from 1850 to the present with an accentuated warming trend in the last two decades. To understand the anthropogenic impact on global climate, accurate paleoclimate records must be developed and used as context.
You’ve just watched JoVE’s Overview of Branched Glycerol Dialkyl Glycerol Tetraether Paleothermometry. You should now understand how the branched GDGT biomarkers are used, and the overall technique of extracting and purifying them. The following videos in this series will go into more detail about this complex process.
Thanks for watching!