Aufgedeckter fehlender Schritt bei der Lipidbildung könnte den Nachweis vergangener Klimazonen ermöglichen

Der fehlende Schritt bei der Bildung eines Lipidmoleküls, das es bestimmten Einzellern ermöglicht, in den extremsten Umgebungen der Erde zu überleben, wurde nun entschlüsselt. Dieses neue Verständnis, das von einem Team von Biochemikern der Penn State und der University of Illinois Urbana-Champaign aufgedeckt wurde, könnte die Fähigkeit der Lipide verbessern, als Indikator für die Temperatur über geologische Zeiträume hinweg verwendet zu werden.

Das Lipid mit der Bezeichnung Glycerin-Dibiphytanyl-Glycerin-Tetraether (GDGT) kommt in der Zellmembran einiger Arten von Archaeen vor, einzelligen Organismen, die ursprünglich für Bakterien gehalten wurden, heute aber als eigene Gruppe betrachtet werden. Dieses Lipid bietet einigen Arten die Stabilität, um in Umgebungen mit extrem hohen Temperaturen, Salzgehalt oder Säuregehalt, wie Thermalquellen im Ozean, heißen Quellen und hypersalinen Gewässern, zu gedeihen. Die einzigartige Stabilität von GDGT ermöglicht es auch, dass es Hunderte oder sogar Tausende von Jahren nach dem Tod des Organismus nachgewiesen werden kann. Da diese Organismen dazu neigen, bei höheren Temperaturen mehr GDGT zu produzieren, wird es als vielversprechender Kandidat für die Schätzung der Temperatur über die geologische Zeit betrachtet.

„Damit GDGT genau als Proxy zur Rekonstruktion von Änderungen der geologischen Temperatur verwendet werden kann, müssen Wissenschaftler besser verstehen, wie es hergestellt wird, welche Gene dafür kodieren und welche Arten es erzeugen können“, sagte Squire Booker, Biochemiker an der Penn State , ein Ermittler am Howard Hughes Medical Institute und Leiter des Forschungsteams. „Aber bisher fehlte ein Schritt bei der Bildung dieses Lipids. Wir haben bildgebende Verfahren in Verbindung mit chemischen und biochemischen Methoden verwendet, um den chemischen Weg für diesen fehlenden Schritt zu dekonstruieren.“

Die Stabilität von GDGT beruht teilweise auf seinen zwei langen Kohlenwasserstoffketten, die sich durch die gesamte Membran erstrecken. Aber wie diese beiden Ketten miteinander verbunden werden, hat Wissenschaftler jahrzehntelang verwirrt.

„Die Kopplung der Kohlenstoffe am Ende der beiden Kohlenwasserstoffketten ist eine wirklich herausfordernde Chemie, weil sie inert sind – sie sind chemisch inaktiv“, sagte Cody Lloyd, Doktorand an der Penn State und Mitglied des Forschungsteams. „Wir haben das Enzym identifiziert, das diese terminalen Kohlenstoffe aktiviert und diese Kopplung ermöglicht. Außerdem kennen wir jetzt das Gen, das dieses Enzym codiert, was die Verwendung von GDGT als Indikator für vergangene Klimazonen verbessern sollte.“

Das Enzym, das die Kopplung der beiden Kohlenwasserstoffketten erleichtert, gehört zu einer Klasse von Proteinen, die als Radikal-SAM-Proteine ​​bezeichnet werden und bekanntermaßen eine wichtige Rolle bei einer Vielzahl chemischer Reaktionen spielen, einschließlich der Herstellung von Antibiotika, der Modifikation von Proteinen, DNA und RNA und die Schaffung verschiedener Biomoleküle.

Der erste Schritt ähnelt dem anderer Reaktionen, an denen Radikal-SAM-Enzyme beteiligt sind: Das Radikal-SAM-Enzym verwendet einen seiner Eisen-Schwefel-Cluster, um ein Molekül namens S-Adenosyl-L-Methionin (SAM) zu spalten, wodurch ein „freies Radikal“ entsteht. oder ein ungepaartes Elektron, das hoch reaktiv ist und hilft, die Reaktion voranzutreiben. Dann reißt das Radikal ein Wasserstoffatom vom Kohlenstoff am Ende der Kette ab. In einem späteren Schritt wiederholt sich dieser Prozess mit der zweiten Kette unter Verwendung eines zweiten SAM-Moleküls.

„Letztendlich binden die Kohlenstoffe am Ende jeder der Ketten an der Stelle aneinander, an der die Wasserstoffatome entfernt wurden“, sagte Lloyd. „Aber sobald der Wasserstoff an der ersten Kette entfernt wird, wird er so instabil, dass er mit so ziemlich allem reagieren könnte. Um die erste Kette vorübergehend daran zu hindern, mit irgendwelchen Off-Targets zu reagieren, bindet der Kohlenstoff an ein Schwefelatom von einem anderen die drei Eisen-Schwefel-Cluster des Enzyms.“

Sobald der Wasserstoff von der zweiten Kette entfernt wurde, ermutigt das resultierende Radikal die erste Kette, sich von dem Eisen-Schwefel-Cluster auf dem Enzym zu entfernen und stattdessen an die zweite Kette zu binden. Dies führt dazu, dass die beiden Ketten miteinander verbunden werden, wodurch der fehlende Schritt in der Bildung von GDGT abgeschlossen wird. Die Forscher stellen ihre Ergebnisse in einem Artikel vor, der online und in gedruckter Form in der Ausgabe vom 1. September der Zeitschrift erscheint Natur.

„Dies ist eine völlig neuartige Verwendung eines Eisen-Schwefel-Clusters, und dies ist das erste Beispiel in der Natur für die Kopplung zweier vollständig inerter Kohlenstoffatome mit dieser Elektronenkonfiguration, die Chemiker als sp3-hybridisiert bezeichnen“, sagte Booker. „Es gab großes Interesse daran, diese Art von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen aus sp3-hybridisierten Kohlenstoffen als Teil von Pharmazeutika und anderen Industrieprodukten herzustellen. Die Natur hatte Millionen von Jahren Zeit, um dieses Zeug herauszufinden, also schauen wir weiterhin auf die Natur als Inspiration für Synthesereaktionen – wie diese neuartige Verwendung eines Eisen-Schwefel-Clusters.“