Uma visão geral da análise de biomarcadores bGDGT para paleoclimatologia
English
Share
Overview
Fonte: Laboratório de Jeff Salacup – Universidade de Massachusetts Amherst
Ao longo desta série de vídeos, amostras naturais foram extraídas e purificadas em busca de compostos orgânicos, chamados de biomarcadores, que podem relacionar informações sobre climas e ambientes do passado. Uma das amostras analisadas foi sedimento. Sedimentos se acumulam ao longo do tempo geológico em bacias, depressões na Terra nas quais os sedimentos fluem através da ação de fluido (água ou ar), movimento e gravidade. Existem dois tipos principais de bacias, marinha (oceanos e mares) e lacustrina (lagos). Como se pode imaginar, tipos muito diferentes de vida vivem nessas configurações, impulsionados em grande parte pela diferença de salinidade entre eles. Ao longo das últimas décadas, geoquímicos orgânicos descobriram uma caixa de ferramentas de proxies biomarcadores, ou compostos que podem ser usados para descrever o clima ou o meio ambiente, alguns dos quais trabalham em ambientes marinhos e alguns dos quais trabalham em lacustrina. Voltamos nossa atenção aqui para o reino lacustrina e tetraethers glicerol dialkyl gliceol ramificados (Figura1).
Nesta seção focamos na análise da paleotemperatura terrestre utilizando tetrathers de glicerol ramal(Figura 1; brGDGTs) e proxy MBT/CBT. Este proxy foi inicialmente descrito por Weijers et al. 1 e baseia-se na distribuição de estruturas de anéis e filiais em brGDGTs. Eles descobriram que a ciclização dos tetraetores ramificados (TCC) estava diretamente relacionada ao pH do solo.
CBT = -log ((Ib + IIb) / (I + II))
E que a metilação de tetraetores ramificados (MBT) foi determinada pela temperatura média anual do ar (MAAT) e, em menor grau, pelo pH do solo.
MBT = (I + Ib + Ic) / (I + Ib + Ic) + (II + IIb + IIc) + (III + IIIb + IIIc)
Assim, juntamente e calibrado, o MBT/TCC relaciona a distribuição de brGDGTs tanto à temperatura do solo quanto ao pH.
MBT = 0,122 + (0,187 x TCC) + (0,020 x MAAT)
Acredita-se que os GDGTs ramificados sejam lipídios de membrana e sua produção foi inicialmente atribuída a bactérias acidobactérias anaeróbicas que vivem em solos e turfa2-5,mas trabalhos subsequentes sugeriram que eles também poderiam ser produzidos em lagos oxicos e anoxicos e colunas de água marinha e sedimentos6-9. A hipótese sustenta que as acidobactérias transformam locais de metilação em ciclizações em resposta à redução da temperatura, a fim de aumentar a insaturação (a ciclização efetivamente remove dois átomos de hidrogênio) e manter a fluidez da membrana (por analogia, A gordura saturada (manteiga) é uma temperatura ambiente sólida, enquanto a gordura insaturada (azeite de oliva) é um líquido), mas os GDGTs ramificados ainda não foram identificados como os principais lipídios de membrana nas culturas de Acidobacteria. Assim, sua procedência exata é desconhecida.
Calibração de GDGTs ramificados para variáveis ambientais (temperatura, pH, salinidade, precipitação, etc.) é um tema de pesquisa generalizada. Laboratórios de geoquímica orgânica em todo o mundo estão envolvidos na tarefa de desenvolver calibrações globais1,10 e regionais11-13 entre GDGTs ramificados e (principalmente) temperatura. Assim, as equações dadas acima estão sendo regularmente refinadas e aperfeiçoadas.
GDGTs ramificados são geralmente extraídos de sedimentos lacotrinas, embora sedimentos marinhos costeiros também tenham sido investigados. Os extratos passam por uma coluna de gel de sílica para purificar os GDGTs de outros compostos que podem não ser amenáveis lc ou que podem co-elute com GDGTs cromatograficamente. Os GDGTs saem na fração polar que elutes em metanol.
Uma vez purificado o extrato lipídico total, a amostra extraída e purificada é executada em um cromatógrafo líquido de alto desempenho acoplado a um espectrômetro de massa de ionização química. A concentração relativa dos GDGTs é determinada pela obtenção da área sob a curva para o íon de massa selecionado (m/z; Figura 1) para cada um dos compostos em software de computador projetado para este fim (como Agilent Chemstation). Essas áreas são então colocadas na equação de calibração selecionada, a fim de chegar a uma determinação paleotemperatura.
Figura 1. Estruturas dos GDGTs ramificados utilizados para o cálculo da temperatura via proxy MBT/CBT (usado com permissão da Dra. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Compostos orgânicos chamados biomarcadores podem ser usados na Ciência da Terra como paleotermômetros para relacionar informações sobre climas e ambientes do passado.
Organismos vivos produzem esses biomarcadores, que nos fornecem informações sobre o ambiente em que viviam. Eles podem agir como um proxy para nos dizer informações sobre eventos passados, como a temperatura da Terra milhões de anos atrás.
A paleotemperatura terrestre pode ser analisada usando biomarcadores encontrados em sedimentos de bacias de água doce. Uma classe chave desses biomarcadores são tetraeadores de glicerol de glicerol ramificados ou GDGTs ramificados.
Este vídeo apresentará a área de estudo, chamada paleoclimatologia, que investiga mudanças passadas em ambientes de água doce ao longo de centenas de milhões de anos. Isso ajuda a elucidar as mudanças climáticas e ambientais atuais e futuras.
Sedimentos se acumulam ao longo do tempo geológico, devido ao movimento e gravidade dos fluidos, em bacias sedimentares, ou áreas baixas na crosta terrestre. As bacias sedimentares incluem oceanos, que coletam sedimentos marinhos, ou lagos, que coletam sedimentos lacodários. Bacias marinhas e lacotrinas contêm diferentes tipos de organismos, impulsionados em grande parte pela diferença de salinidade entre eles. Assim, as bacias marinhas e lacotrinas contêm diferentes biomarcadores.
Acredita-se que os GDGTs ramificados sejam lipídios de membrana de acidóbas anaeróbicas. Pesquisas sugerem que os organismos produtores mudam as propriedades da membrana em resposta à mudança de temperatura.
Essa mudança é causada pela transformação de sítios metilados nos GDGT ramificados para locais ciclizados a temperaturas mais frias, aumentando assim a fluidez da membrana. Essa mudança na estrutura pode então ser correlacionada com a temperatura através de um proxy. Proxies são fenômenos físicos mensuráveis que estão correlacionados a variáveis imensuráveis.
Este proxy relaciona o número de metilações ou MBT, e ciclizações, ou TCC, no biomarcador à temperatura. Uma equação derivada experimentalmente pode relacionar MBT e TCC com a temperatura média anual do ar.
Para estudar a relação entre biomarcadores GDGT ramificados e temperatura do solo, deve-se coletar sedimentos lacotrinas, extraídos por uma das três técnicas, purificadas e analisadas.
Para começar a estudar a relação entre biomarcadores GDGT ramificados e temperatura do solo, as moléculas lipídicas são primeiramente extraídas de sedimentos lacotrinas, usando uma variedade de técnicas. A extração via sônica é o método mais simples e menos caro de obter o extrato lipídedo total, ou TLE, a partir de uma amostra de sedimentos. Para isso, um banho ultrassônico é usado para agitar a amostra em um frasco contendo solvente orgânico. Uma mistura de metanol e diclorometano é usada para extrair biomarcadores com uma ampla gama de polaridades. Outra técnica de extração utiliza a extração de Soxhlet. Um extrator Soxhlet permite o refluxo, ou ciclismo contínuo, de solvente orgânico de um frasco de fundo redondo para cima em um condensador, que é resfriado por água fria e devolvido. O solvente condensado cai em um dedal de fibra de vidro contendo a amostra. Uma vez cheia, a câmara desliza o solvente orgânico de volta para o frasco de fundo redondo, permitindo a extração contínua ao longo do tempo.
Esta técnica é útil na extração de grandes massas de sedimentos, e na elaboração de grandes volumes de padrões para calibração de instrumentos. Finalmente, a extração acelerada de solventes, ou ASE, é um método de extração registrado que utiliza alta temperatura e pressão para aumentar a cinética do processo de extração. O instrumento ASE contém até 24 amostras individuais e permite o controle preciso de todos os parâmetros no processo de extração. Devido à sua velocidade e simplicidade de uso, o ASE é comumente usado como o método padrão de extração de solventes.
Uma vez que a amostra lipídica é extraída usando uma dessas técnicas, ela é purificada na preparação para análise. Tipicamente, a cromatografia da coluna de gel de sílica é usada para purificar a amostra lipídica com base em sua polaridade. Para isso, uma pequena coluna de vidro é carregada com um pó fino de sílica, chamado de gel. A coluna é então saturada com um solvente apolar, tipicamente hexano, e, em seguida, a amostra carregada na parte superior. A separação do extrato baseia-se na afinidade do composto alvo para a fase sólida ou para a fase do solvente.
Compostos polares, neste caso ramificados GDGT, são mais atraídos pela sílica polar do que o hexano apolar. Assim, os compostos apolares, como hidrocarbonetos, os compostos médios polares, como cetonas e álcoois, e os compostos altamente polares, viajarão a coluna a diferentes taxas e em resposta a solventes de crescente polaridade.
Os eluentes são então coletados em frações separadas.
Os GDGT purificados são então analisados usando cromatografia líquida de alto desempenho acoplada a um espectrômetro de massa, ou LC-MS. O LC-MS primeiro separa os compostos e, em seguida, analisa-os com base em sua relação massa-carga.
Isso permite a determinação da concentração relativa de cada tipo de GDGT utilizando a área sob a curva para o íon de massa selecionado. O MBT é calculado como a fração das moléculas do grupo 1 para o total.
A TCC é então calculada como um tronco negativo usando moléculas nos grupos 1 e 2. MBT e TCC são então conectados a uma equação derivada experimentalmente, a fim de chegar a uma determinação paleotemperatura.
A determinação da paleotemperatura usando proxies biomarcadores é útil em uma série de aplicações na ciência da Terra.
Primeiro, a paleotermmetria permite a determinação da temperatura da Terra por longos períodos de tempo. Usando várias técnicas, a temperatura da Terra foi estimada em 500 milhões de anos. Isso nos diz o envelope de temperatura dentro do qual diferentes formas de vida evoluíram e informa investigações sobre os efeitos da temperatura na biosfera, hidrosfera, litosfera e atmosfera da Terra no passado, e por extensão, o futuro.
Tendências mais recentes na temperatura da Terra também podem ser quantificadas contra registros construídos usando paleotermometria. A temperatura da superfície da Terra aumentou quase 1 grau de 1850 até o presente com uma tendência de aquecimento acentuada nas últimas duas décadas. Para entender o impacto antropogênico no clima global, registros paleoclima precisos devem ser desenvolvidos e usados como contexto.
Você acabou de assistir a visão geral da JoVE sobre a Paleotermometria de Gliceol Dialkyl Glycerol Tetraether. Agora você deve entender como os biomarcadores GDGT ramificados são usados, e a técnica geral de extraí-los e purificá-los. Os vídeos a seguir desta série entrarão em mais detalhes sobre este processo complexo.
Obrigado por assistir!
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!