Att lösa ett decennier gammalt mysterium, Stanford-forskare har upptäckt proteiner som gör att tåliga mikrober som kallas archaea kan stärka sina membran när vattnet är för varmt. Att hitta dessa proteiner kan hjälpa forskare att sätta ihop tillståndet för jordens klimat som går tillbaka miljoner år till när dessa arkéer kryssade de antika haven.

"Människor har letat efter dessa proteiner i 40 år, sa Paula Welander, en docent i jordsystemvetenskap vid Stanford Universitys School of Earth, Energi- och miljövetenskap (Stanford Earth), och huvudförfattare till en studie som beskriver fyndet publicerat 7 oktober in Proceedings of the National Academy of Sciences .

Med detta fynd kan forskare mer exakt använda lipider - eller fetter - som finns i arkeala membran och bevarade i havets sediment för att uppskatta historiska havstemperaturer, sa Welander.

Slår ner luckorna

När man är stressad, archaea smälter sina vanligtvis dubbelskiktade cellmembran till ett enda lager. Genom att slå ner luckorna på detta sätt stramar man upp membranen, som, är mestadels gjord av fett, kan bli för floppy när temperaturen stiger—som smör som står på en köksbänk.

Vissa arkéer modifierar ytterligare strukturerna som smälter samman sina membranskikt genom att lägga till ringliknande bitar som gör membranen ännu mer kompakta och robusta. Dessa anpassningar är användbara ur ett klimatologiskt perspektiv, eftersom de membranbindande strukturerna - tillsammans med de uppsättningarna av ringar - lätt konserveras i marina sediment. Genom att undersöka antalet och typerna av ringar, klimatforskare kan mäta ytvattentemperaturer var och när dessa arkéer levde. Denna teknik har använts som bevis på de varmare haven under juratiden, som går tillbaka mer än 150 miljoner år till dinosauriernas storhetstid.

Att hitta proteinerna som är involverade i att göra dessa strukturer löser vissa osäkerheter som forskare har haft om att sluta sig till forntida temperaturer från arkeala lipider - vad de kallar paleotemperatur-proxies.

Klimatologer har antagit att en enda grupp arkéer, Thaumarchaeota, är ansvariga för att göra lipider med ringar som finns i öppna hav och att de lägger till dessa ringar som svar på vattentemperaturförändringar. Men om andra miljöfaktorer som salthalt och surhet utlöser ringproduktion i andra marina arkégrupper, som kan förvränga hur de läser temperatursignalerna.

Enligt den nya studien, klimatologer kan andas ut. Genom att slutligen spika fast proteinerna i spel, Stanford-forskarna visar att Thaumarchaeota verkligen är den dominerande källan till de ringbärande membranstrukturerna i havsvatten, stödjer tidigare idéer om forntida havstemperaturer.

"Med den viktiga informationen nu i handen, vi kan börja begränsa en del av osäkerheten om denna speciella arkea-baserade paleotemperaturproxy, sa Welander.

Att jaga efter proteinerna

Även om det inte identifierades förrän i slutet av 1970-talet, archaea har sedan dess erkänts som en helt ny tredje domän av livet, tillsammans med de mer välkända bakterierna och eukaryoterna - flercelliga organismer, inklusive människor. Även om archaea ytligt liknar bakterier, biokemiska och reproduktiva skillnader vittnar om deras unika karaktär. Många arkéer är också extremofiler, som trivs i strama miljöer som varma källor där annat liv inte kan överleva.

För att hitta de ringbildande proteinerna, Stanford-teamet experimenterade med Sulfolobus acidocaldarius, bland de minst svåra arkéerna att odla och manipulera i ett labb.

"Denna organism är en av de mycket få arkéer som har ett genetiskt system där vi kan utföra den typ av arbete vi gillar att göra, sa Welander.

Hennes team satte sig för att ta reda på vilka proteiner som gjorde det möjligt för S. acidocaldarius att fästa ringar till dess membranomspännande strukturer. Forskarna hittade först tre möjliga gener genom att titta över arvsmassans arvsmassa som gör och inte konstruerar ringar. De skapade sedan mutanter i labbet som saknade en, två eller alla tre gener och, i sista hand, två av dessa gener visade sig vara integrerade i ringstrukturerna.

Dessa gener kunde inte dyka upp i en annan grupp arkéer som delar marina miljöer med Thaumarchaeota och ansågs vara en möjlig, ytterligare källa till ringade strukturer i sedimentprover. Med det bidraget uteslutet, havstemperaturuppskattningarna härledda från paleotemperaturproxyn i fråga ser mer robusta ut.

Att ta det globalt

Welander sa att forskare nu kan undersöka att utvidga Stanford-teamets resultat till väluttagna marina regioner över hela världen. Hennes team plockade igenom en genetisk datauppsättning från norra Stilla havet, och det talar därför bara direkt till just den biomen. Andra datauppsättningar från Atlanten och Medelhavet, till exempel, bör avslöja om Thaumarchaeota också är ansvariga för att lägga ner de molekylära fossilerna av intresse i dessa områden. Dessa paleotemperatur-proxies kan till och med utökas till sjöar och andra miljöer, Welander sa, öppnar upp ännu fler sidor i jordens klimatkrönikor.

Utöver de klimatologiska aspekterna av fynden, Welander noterade att att ta reda på hur arkeala proteiner hanterar det mystiska arbetet med membranfusion kan avslöja övertygande ny biokemi för potentiella verkliga tillämpningar, som läkemedelsupptäckt och materialvetenskap.

"Mikrober uppfinner alla typer av konstig biokemi för att göra alla typer av konstiga reaktioner, " Sa Welander. "När som helst du kan utöka den kemin av vad som är möjligt, det är verkligen spännande bara ur ett grundvetenskapligt perspektiv."