Un resumen de bGDGT análisis de biomarcadores para la paleoclimatología
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Overview
Fuente: Laboratorio de Jeff Salacup – Universidad de Massachusetts Amherst
A lo largo de esta serie de videos, muestras naturales extrajeron y purificaron en busca de compuestos orgánicos, llamados biomarcadores, que pueden relacionar información sobre climas y ambientes del pasado. Una de las muestras analizadas fue sedimento. Sedimentos acumulan en el tiempo geológico en cuencas, depresiones en la tierra en que flujos de sedimento por la acción del fluido (agua o aire), el movimiento y la gravedad. Existen dos tipos principales de cuencas, marino (océanos y mares) y lacustres (lagos). Como uno podría suponer, muy diferentes tipos de vida viven en estos entornos, impulsados en gran parte por la diferencia de salinidad entre ellos. En las últimas décadas, geoquímicos orgánicos descubrieron una caja de herramientas de proxies de biomarcadores o compuestos que pueden utilizarse para describir el clima o medio ambiente, algunos de los cuales trabajan en ambientes marinos y algunos de los que trabajan en lacustre. Nuestra atención aquí al Reino lacustre y ramificado glicerol thioureas glicerol tetraethers ()figura 1).
En esta sección nos centramos en el análisis de paleotemperature terrestre usando el proxy MBT/TCC y tetrathers de glicerol glicerol ramificado thioureas (figura 1; brGDGTs). Este proxy fue descrito inicialmente por Weijers et al. 1 y se basa en la distribución de las estructuras de anillo y rama en brGDGTs. Encontraron que la ciclación de tetraethers ramificados (TCC) fue directamente relacionada con el pH del suelo.
CBT = – log ((Ib + IIb) / (I + II))
Y que la metilación de tetraethers ramificados (MBT) fue determinada por la temperatura media anual del aire (MAAT) y, en menor medida, pH del suelo.
MBT = (I + Ib + Ic) / (I + Ib + Ic) + (II + IIb + IIc) (III + III + IIIc)
Así, tomados juntos y calibrado, MBT/TCC está relacionado con la distribución de brGDGTs a la temperatura del suelo y pH.
MBT = 0.122 + (0.187 x TCC) + (0.020 x MAAT)
GDGTs ramificados se cree que son de membrana que atraviesan los lípidos y su producción fue atribuida inicialmente a Acidobacteria anaerobios viven en el suelo y turba2-5, pero trabajos posteriores sugirieron que podrían producirse en el lago anóxico y óxica y agua marina sedimentos y columnas6-9. La hipótesis sostiene que transformación de Acidobacteria sitios de metilación en cyclizations en respuesta a baja temperatura con el fin de aumentar la insaturación (ciclación efectivamente remueve dos átomos de hidrógeno) y mantener la fluidez de la membrana (por analogía, las grasas saturadas (mantequilla) es un sólido a temperatura ambiente mientras que la grasa insaturada (aceite de oliva) es un líquido), pero ramificados GDGTs todavía no han sido identificados como los lípidos de la membrana principal en las culturas de Acidobacteria. Por lo tanto se desconoce su procedencia exacta.
Calibración de GDGTs ramificados a variables ambientales (temperatura, pH, salinidad, precipitación, etc.) es un tema de amplia investigación. Laboratorios de geoquímica orgánica en todo el mundo participan en la tarea de desarrollo global1,10 y calibraciones de la regional11-13 entre GDGTs ramificados y temperatura (sobre todo). Por lo tanto, las ecuaciones anteriores están siendo regularmente refinado y perfeccionado.
GDGTs ramificados se extraen generalmente de sedimentos lacustres, aunque sedimentos marinos costeros también han sido investigados. Los extractos se someten a una columna de gel de sílice para purificar los GDGTs de otros compuestos que no sean susceptibles de LC o que conjuntamente pueden eluir con GDGTs por cromatografía. Las GDGTs salen en la fracción polar que elutes en metanol.
Una vez que el extracto total de lípidos se purifica, se ejecuta la muestra extraída y purificada en un cromatógrafo líquido de alto rendimiento acoplado a un espectrómetro de masas de ionización química. La concentración relativa de las GDGTs se determina por la obtención del área bajo la curva para el ion total seleccionada (m/z; Figura 1) para cada uno de los compuestos en software informático diseñado para sólo ello (como Chemstation de Agilent). Estas áreas son entonces puestas en la ecuación de calibración seleccionado para llegar a una determinación paleotemperature.
Figura 1. Estructuras de las GDGTs ramificados utilizados para el cálculo de temperatura via proxy MBT/TCC (usado con permiso de Dr. Isla Castañeda, que produce la imagen). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Compuestos orgánicos llamados biomarcadores pueden utilizarse en Ciencias de la tierra como paleothermometers para relacionar información sobre climas y ambientes del pasado.
Los organismos vivos producen estos biomarcadores, que nos proporcionan información sobre el entorno en que viven. Puede actuar como un proxy para decirnos información sobre acontecimientos pasados, como la temperatura de la tierra millones de años atrás.
Paleotemperature terrestre puede ser analizada utilizando biomarcadores encontrados en sedimentos de las cuencas de agua dulce. Una clase dominante de estos biomarcadores son glicerol ramificado thioureas glicerol tetraethers, o GDGTs ramificados.
Este video presenta la zona de estudio, llamado la Paleoclimatología, que investiga más allá de cambios en los ambientes de agua dulce más cientos de millones de años. Esto ayuda a aclarar el clima actual y futuro y cambios ambientales.
Sedimentos se acumulan en el tiempo geológico, debido al movimiento fluido y de gravedad, en las cuencas sedimentarias, o las áreas bajas de la corteza terrestre. Cuencas sedimentarias incluyen los océanos, que recogen los sedimentos marinos, o lagos, que recogen los sedimentos lacustres. Cuencas marinas y lacustres contienen diferentes tipos de organismos, impulsados en gran parte por la diferencia de salinidad entre ellos. Así, las cuencas marinas y lacustres contienen diferentes biomarcadores.
GDGTs ramificados son probablemente que atraviesan la membrana lípidos de acidobacteria anaerobio. La investigación sugiere que los organismos producen cambian propiedades de la membrana en respuesta a los cambios de temperatura.
Este cambio es causado por la transformación de sitios metilados en de la ramificada GDGT a sitios ciclizados a temperaturas más frías, aumentando la fluidez de la membrana. Este cambio en la estructura se puede entonces correlacionado a la temperatura a través de un proxy. Los proxies son fenómenos físicos mensurables que están correlacionados con la variable inmensurable.
Este proxy está relacionado con el número de metilaciones, MBT y cyclizations o TCC, en el biomarcador a temperatura. Una ecuación derivada experimentalmente puede relacionarse con MBT y CBT a pasado media anual temperatura del aire.
Para estudiar la relación entre biomarcadores GDGT ramificados y temperatura del suelo, sedimentos lacustres se, extraído por una de tres técnicas, purificada y deben analizar.
Para comenzar a estudiar la relación entre biomarcadores GDGT ramificados y temperatura del suelo, las moléculas de lípidos son extraídas primero de sedimentos lacustres, usando una variedad de técnicas. Extracción mediante sonicación es el método más simple y menos costoso de obtener el extracto total de lípidos, o ELT, de una muestra de sedimento. Para esto, se utiliza un baño de ultrasonidos para agitar la muestra en un frasco que contiene solvente orgánico. Se utiliza una mezcla de metanol y diclorometano para extraer biomarcadores con un amplio rango de polaridades. Otra técnica de extracción utiliza extracción de Soxhlet. Un extractor Soxhlet permite el reflujo, o el ciclo continuo, de solvente orgánico de un matraz de fondo redondo hacia arriba en un condensador, que es refrescado por la agua fría y volvió. El solvente condensado cae en un dedal de fibra de vidrio que contiene la muestra. Una vez llena, la cámara desvía la espalda solvente orgánica en el matraz de fondo redondo, que permite la extracción continua en el tiempo.
Esta técnica es útil en la extracción de masas grandes de sedimento y la preparación de grandes volúmenes de estándares para la calibración del instrumento. Finalmente, extracción acelerada con disolventes o ASE, es un método registrado de extracción que utiliza alta temperatura y presión para aumentar la cinética del proceso de extracción. El instrumento de la ASE tiene hasta 24 muestras individuales y permite un control preciso de todos los parámetros en el proceso de extracción. Debido a su velocidad y simplicidad de uso, ASE se utiliza comúnmente como el método estándar de extracción por solvente.
Una vez que la muestra de lípidos se extrae utilizando una de estas técnicas, es purificada en preparación para su análisis. Normalmente, la cromatografía de columna de gel de silicona se utiliza para purificar la muestra de lípidos basada en su polaridad. Para ello, una columna de vidrio está lleno de un polvo fino de sílice, llamado un gel. La columna está entonces saturada con un disolvente apolar, normalmente hexano, y luego la muestra se carga en la parte superior. La separación del extracto se basa en la afinidad del compuesto objetivo para la fase sólida o fase solvente.
Compuestos polares, en este caso ramificado GDGT, son atraídos más sílice polar que apolar de hexano. Así, los compuestos apolar, como hidrocarburos, los compuestos polares mediados, como cetonas, alcoholes y los compuestos altamente polares, viajará la columna a diferentes velocidades y en respuesta a solventes de polaridad creciente.
Los eluyentes son entonces recogidos en fracciones separadas.
GDGT purificada luego es analizados usando cromatografía de líquidos acoplada a un espectrómetro de masas de alto rendimiento, o LC-MS LC-MS. primero separa los compuestos y luego analiza en su relación masa / carga.
Esto permite la determinación de la concentración relativa de cada tipo de GDGT usando el área bajo la curva para el ion total seleccionado. MBT se calcula como la fracción de las moléculas del grupo 1 al total.
CBT se calcula entonces como un registro negativo utilizando moléculas en grupos 1 y 2. MBT y TCC se luego enchufan una ecuación derivada experimentalmente, para llegar a una determinación paleotemperature.
La determinación de paleotemperature usando a proxies de biomarcadores es útil en una gama de aplicaciones en Ciencias de la tierra.
En primer lugar, paleothermometry permite la determinación de la temperatura de la tierra durante largos períodos de tiempo. Utilizando diversas técnicas, la temperatura de la tierra se ha estimado en 500 millones de años. Esto nos dice que la envoltura de la temperatura en que diferentes formas de vida evolucionado e informa de las investigaciones de los efectos de la temperatura en la Biosfera, hidrosfera, litosfera y atmósfera de la tierra en el pasado y por extensión, el futuro.
Las más recientes tendencias en la temperatura de tierras también pueden cuantificarse con registros construidos mediante paleothermometry. La temperatura de la superficie de tierras ha aumentado en casi 1 grado desde 1850 hasta la actualidad con una acentuada tendencia de calentamiento en las últimas dos décadas. Para entender el impacto antropogénico sobre el clima global, registros paleoclimáticos exacto desarrollados y utilizados como contexto.
Sólo ha visto Resumen de ramificado glicerol thioureas glicerol Tetraether Paleothermometry de Zeus. Ahora usted debe entender cómo se utilizan los biomarcadores GDGT ramificados y la técnica general de extracción y los purificación de. Los siguientes videos de esta serie entrará en más detalle sobre este complejo proceso.
¡Gracias por ver!
Procedure
References
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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!