Кренархеол представляет собой липид биологической мембраны бифитанов глицерина, тетраэфира глицерина (GDGT) . Он имеет характерную циклогексановую составляющую и был предложен в качестве специфического биомаркера для пелагических архей, окисляющих аммиак (АОА). [1] Структурно молекула состоит из двух длинных углеводородных цепей, которые проходят через клеточную мембрану и каждая связана с глицерином через эфирную связь. Кренархеол может сохраняться в окружающей среде в течение сотен миллионов лет и является частью палеотермометра TEX 86. , температурный показатель температуры поверхности моря, который использовался для реконструкции палеоклимата до средней юры (~ 160 млн лет назад). [2]
Имена | |
---|---|
Название ИЮПАК [(9 S , 12 S , 16 S , 24 S , 28 R , 31 R , 35 S , 43 S , 46 S , 50 S , 58 S , 62 R , 65 R ) -12- (гидроксиметил) -9, 16,24,28,31,35,43,50,58,62,65-undecamethyl-11,14,45,48-tetraoxahexacyclo [63.3.1.1 2,5 .1 20,23 .1 36,39 0,154 , 57] тригептаконтан-46-ил] метанол | |
Идентификаторы | |
| |
3D модель ( JSmol ) | |
ChemSpider | |
PubChem CID | |
| |
| |
Характеристики | |
С 82 Н 154 О 6 | |
Молярная масса | 1 236 .128 г · моль -1 |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа). | |
Ссылки на инфобоксы | |
Открытие и распространение
Мембраны архей отличаются от мембран бактерий и эукариот, поскольку они содержат изопреноидные GDGT вместо диациллипидов, которые обнаруживаются в других доменах. Было высказано предположение, что липиды мембран GDGT являются адаптацией к высоким температурам, присутствующим в окружающей среде, которая является домом для экстремофильных архей [1], и поэтому исследователи были удивлены в 1997 г., когда неизвестные GDGT архей были обнаружены в пелагических водах. [3] Неизвестный GDGTs был также найдена в морских отложениях [4] и изолирован от Cenarchaeum symbiosum , [5] морского аммиак-окислительной archaeon , который живет в симбиозе с губками .
После открытия GDGT за пределами гидротермальных сред, кренархеол был впервые идентифицирован как основной компонент GDGT в поверхностных отложениях и экстрактах C. symbiosum в 2002 году с помощью двумерной спектроскопии ядерного магнитного резонанса (2D-ЯМР) . [6] Он был назван в честь типа Crenarchaeota , к которому, как считалось, принадлежали пелагические археи, окисляющие аммиак, которые производят кренархеол, до того, как было предложено считать морскую группу I Crenarchaeota отдельным типом, Thaumarchaeota . [7]
Кренархеол производится AOA, принадлежащим к типу Thaumarchaeota (ранее классифицированному как морская группа 1 Crenarchaeota). Было подтверждено, что производятся чистыми культурами пелагической mesothermic C. symbiosum [6] и Nitrosopumilus Maritimus , [8] , а также умеренно термофильным Nitrososphaera gargensis [1] и hyperthrmophilic Candidatus Nitrosocaldus yellowstonii . [9] Открытие кренархеола в Ca. N. yellowstonii и N. gargensis опровергли предыдущий консенсус о том, что кренархеол был специфичен для мезотермных таумархеот, и предполагают, что он встречается более широко в пределах филума.
Полемика
Один метагеномного исследование глубинного распределения архейных кладов в южной части Тихого океана круговороте предположило , что crenarchaeol не исключительна для Thaumarchaeota, но также производится морской группа II эвриархеоты . [10] Однако ни один из представителей морской группы II до сих пор не культивировался [11], и противоречивые данные об окружающей среде продолжают поддерживать гипотезу о том, что кренархеол является эксклюзивным для Thaumarchaeota. [12]
В биологии
Химия и функции
Как и другие GDGT, кренархеол представляет собой мембранный липид с четко выраженными гидрофобными и гидрофильными участками. Длинные неполярные углеводородные цепи являются гидрофобными, в то время как связанные с эфиром глицериновые головные группы являются полярными и гидрофильными. У большинства организмов клеточная мембрана состоит из липидного бислоя, в котором фосфолипиды расположены так, что их гидрофобные неполярные углеводородные хвосты обращены внутрь друг к другу, а их гидрофильные полярные головные группы обращены наружу, чтобы связываться с полярными средами цитоплазмы или снаружи клетки. Этой организации способствует гидрофобный эффект , который делает энергетически выгодным изоляцию гидрофобных молекул от водной среды. Поскольку GDGT имеют две гидрофильные головные группы, они образуют липидный монослой в клеточной мембране вместо бислоя, что делает архей, продуцирующих GDGT, исключительными среди всех кладов жизни. [13] Первоначально считалось, что липиды мембран GDGT являются приспособлением к жизни при высоких температурах и кислотах. Поскольку две стороны монослоя липида связаны ковалентными связями, а не более слабыми межмолекулярными силами, которые способствуют сцеплению бислоев, они более стабильны, чем типичные бислои. [13] Эта гипотеза подтверждается наблюдением, что некоторые экстремофильные бактерии синтезируют свои собственные трансмембранные и связанные с эфиром аналоги GDGT. [14] Циклические фрагменты GDGT могут также быть адаптацией к гипертермическим условиям [6], а количество колец в длинных углеводородных цепях GDGT зависит от температуры. [15] Кренархеол имеет два циклопентильных фрагмента на одной из углеводородных цепей и один циклогексил и два циклопентильных фрагмента на другой.
Однако открытие того, что кренархеол и другие GDGT производятся организмами, живущими в мезотермальных средах, поставило под сомнение гипотезу гипертермической адаптации. [13] Было высказано предположение, что отличительный циклогексильный фрагмент кренархеола является адаптацией к пелагической жизни, поскольку он вызывает «изгиб» в одной из углеводородных цепей кренархеола, который препятствует плотной упаковке мембранных липидов, что было бы благоприятно при высоких температурах. но неблагоприятный в умеренных. [6]
Консервация и разложение в отложениях
Кренархеол и другие GDGT могут сохраняться в окружающей среде в течение сотен миллионов лет [2] при правильных условиях. Большинство GDGT разлагаются при температуре от 240 до 300 ° C, поэтому их не обнаруживают в породах, подвергшихся нагреву до температур выше 300 ° C. [16] GDGT подвергаются деградации под воздействием кислорода, но относительные концентрации GDGT в осадках, как правило, остаются неизменными. то же самое даже во время деградации, что означает, что деградация не влияет на прокси, такие как TEX 86 [17] , которые основаны на соотношениях различных GDGT.
Морской азотный цикл
Окисление аммиака является важной частью круговорота азота , биогеохимического цикла, в котором азот проходит через его различные биологические и минеральные формы. Было показано, что АОА доминирует над окислением аммиака в океанах [18] [19], и, таким образом, кренархеол, который, как обычно считается, вырабатывается исключительно АОА (в частности, Thaumarchaeota), был предложен в качестве специфического биомаркера для АОА и окисления аммиака. Было обнаружено, что численность кренархеол соотносится с сезонным цветением АОА, что позволяет предположить, что может быть уместным использовать численность кренархеолов в качестве косвенного показателя для популяций АОА [20] и, таким образом, окисления аммиака в более широком смысле. Однако открытие таумархеот, которые не являются облигатными окислителями аммиака [21], усложняет этот вывод [11], как и одно исследование, которое предполагает, что кренархеолы могут быть продуцированы морскими эвриархеотами группы II. [10]
Палеотермометр TEX 86
Число колец в углеводородных цепочках GDGT зависит от температуры и служит основой для палеотермометра TEX 86 , прокси для измерения температуры поверхности древнего моря (SST) [22], который основан на измерениях содержания кренархеола и его изомеров. Кренархеол имеет региоизомер, который, согласно радиоуглеродному анализу, может иметь другое происхождение, чем другие изопреноидные GDGT. Возможные источники региоизомера включают бентосные археи и diagensis кренархеолов, поскольку региоизомер обнаружен в небольшом количестве в поверхностных водах и в культурах пелагических таумархей. Несмотря на это, если его исключить из расчетов TEX 86 , корреляция палеотермометра с температурой морской поверхности становится менее очевидной, что указывает на то, что это необходимый компонент TEX 86 . [23]
Изоляция и измерение
GDGT, такие как кренархеол, можно анализировать с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии / химической ионизации при атмосферном давлении - масс-спектрометрии (HPLC / APCI-MS) после экстракции и кислотного гидролиза . [24] Кислотный гидролиз отщепляет полярные головные группы от молекулы, оставляя неполярные цепи. Это требуется для хроматографии, которая плохо подходит для анализа полярных молекул. Было продемонстрировано, что различные методы извлечения эффективны для GDGT. Одним из распространенных методов является экстракция метанолом ультразвуком с последующей промывкой неполярным растворителем дихлорметаном (DCM) . [24] GDGT имеют характерные ионы [M + H] + - 18 и [M + H] + - 74 [24], которые для кренархеола имеют массы 1218 и 1162 Да, соответственно. Относительные содержания GDGT могут быть определены путем интегрирования площадей пиков их характеристических ионов.
Рекомендации
- ^ a b c Pitcher A, Rychlik N, Hopmans EC, Spieck E, Rijpstra WI, Ossebaar J, Schouten S, Wagner M, Damsté JS (апрель 2010 г.). «Кренархеол доминирует в липидах мембран Candidatus Nitrososphaera gargensis, термофильной группы I.1b Archaeon» . Журнал ISME . 4 (4): 542–52. DOI : 10.1038 / ismej.2009.138 . PMID 20033067 .
- ^ а б Jenkyns, HC; Schouten-Huibers, L .; Schouten, S .; Sinninghe Damsté, JS (02.02.2012). «Теплые среднеюрские – раннемеловые высокоширотные температуры поверхности моря из Южного океана» . Климат прошлого . 8 (1): 215–226. Bibcode : 2012CliPa ... 8..215J . DOI : 10,5194 / ф-8-215-2012 . ISSN 1814-9332 .
- ^ Hoefs M, Schouten S, De Leeuw JW, King LL, Wakeham SG, Damste J (август 1997 г.). «Эфирные липиды планктонных архей в морской водной толще» . Прикладная и экологическая микробиология . 63 (8): 3090–5. DOI : 10,1128 / AEM.63.8.3090-3095.1997 . PMC 1389224 . PMID 16535669 .
- ^ Schouten S, Hopmans EC, Pancost RD, Damste JS (декабрь 2000 г.). «Широкое распространение структурно разнообразных липидов тетраэфирных мембран: свидетельство повсеместного присутствия низкотемпературных родственников гипертермофилов» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 97 (26): 14421–6. DOI : 10.1073 / pnas.97.26.14421 . PMC 18934 . PMID 11121044 .
- ^ Делонг Е.Ф., Кинг Л.Л., Массана Р., Ситтон Х., Мюррей А., Шлепер С., Уэйкхэм С.Г. (март 1998 г.). «Липиды дибифитанилового эфира у нетермофильных кренархеот» . Прикладная и экологическая микробиология . 64 (3): 1133–8. DOI : 10,1128 / AEM.64.3.1133-1138.1998 . PMC 106379 . PMID 9501451 .
- ^ а б в г Damsté JS, Schouten S, Hopmans EC, van Duin AC, Geenevasen JA (октябрь 2002 г.). «Кренархеол: характерный основной глицерин-дибифитанилглицерин-тетраэфирный мембранный липид космополитической пелагической кренархеи» . Журнал липидных исследований . 43 (10): 1641–51. DOI : 10,1194 / jlr.M200148-JLR200 . PMID 12364548 .
- ^ Брошье-Армане С., Буссо Б., Грибальдо С., Фортер П (март 2008 г.). «Мезофильные Crenarchaeota: предложение о третьем типе архей, Thaumarchaeota». Обзоры природы. Микробиология . 6 (3): 245–52. DOI : 10.1038 / nrmicro1852 . PMID 18274537 . S2CID 8030169 .
- ^ Schouten S, Hopmans EC, Baas M, Boumann H, Standfest S, Könneke M, Stahl DA, Sinninghe Damsté JS (апрель 2008 г.). «Интактные мембранные липиды Candidatus Nitrosopumilus maritimus, культурного представителя космополитической мезофильной группы I Crenarchaeota» . Прикладная и экологическая микробиология . 74 (8): 2433–40. DOI : 10,1128 / AEM.01709-07 . PMC 2293165 . PMID 18296531 .
- ^ de la Torre JR, Walker CB, Ingalls AE, Könneke M, Stahl DA (март 2008 г.). «Выращивание термофильного архея, окисляющего аммиак, синтезирующего кренархеол». Экологическая микробиология . 10 (3): 810–8. DOI : 10.1111 / j.1462-2920.2007.01506.x . PMID 18205821 .
- ^ а б Линкольн С.А., Вай Б., Эппли Дж. М., Черч М.Дж., Summons RE, Делонг Е.Ф. (июль 2014 г.). «Планктонные Euryarchaeota - важный источник липидов тетраэфиров архей в океане» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 111 (27): 9858–63. Bibcode : 2014PNAS..111.9858L . DOI : 10.1073 / pnas.1409439111 . PMC 4103328 . PMID 24946804 .
- ^ а б Rush D, Sinninghe Damsté JS (июнь 2017 г.). «Липиды как палеомаркеры для ограничения морского цикла азота» . Экологическая микробиология . 19 (6): 2119–2132. DOI : 10.1111 / 1462-2920.13682 . PMC 5516240 . PMID 28142226 .
- ^ Вильянуэва Л., Схаутен, Дамсте Дж. С. (январь 2017 г.). «Филогеномный анализ генов биосинтеза липидов архей пролил свет на« липидный разрыв » » (PDF) . Экологическая микробиология . 19 (1): 54–69. DOI : 10.1111 / 1462-2920.13361 . PMID 27112361 . S2CID 6255941 .
- ^ а б в Схоутен, Стефан; Hopmans, Ellen C .; Синнингхе Дамсте, Яап С. (1 января 2013 г.). "Органическая геохимия липидов глицериндиалкилглицерин тетраэфира: обзор". Органическая геохимия . 54 : 19–61. DOI : 10.1016 / j.orggeochem.2012.09.006 . ISSN 0146-6380 .
- ^ Лэнгуорти Т.А., Хольцер Дж., Зейкус Дж. Г., Торнабене Т. Г. (1983-01-01). "Изо- и антеизоразветвленные диэфиры глицерина термофильных анаэробов Thermodesulfotobacterium commune". Систематическая и прикладная микробиология . 4 (1): 1–17. DOI : 10.1016 / S0723-2020 (83) 80029-0 . PMID 23196295 .
- ^ Схоутен, Стефан; Hopmans, Ellen C .; Шефус, Энно; Sinninghe Damsté, Яап С. (2002). «Вариации распределения липидов мембран морских кренархеот: новый инструмент для реконструкции древних температур морской воды?». Письма о Земле и планетологии . 204 (1–2): 265–274. Bibcode : 2002E и PSL.204..265S . DOI : 10.1016 / S0012-821X (02) 00979-2 .
- ^ Схоутен, Стефан; Hopmans, Ellen C .; Шефус, Энно; Синнингхе Дамсте, Яап С. (30 ноября 2002 г.). «Вариации распределения липидов мембран морских кренархеот: новый инструмент для реконструкции древних температур морской воды?». Письма о Земле и планетологии . 204 (1): 265–274. Bibcode : 2002E и PSL.204..265S . DOI : 10.1016 / S0012-821X (02) 00979-2 . ISSN 0012-821X .
- ^ Молленхауэр, Жезине; Эглинтон, Тимофей I .; Hopmans, Ellen C .; Синнингхе Дамсте, Яап С. (1 августа 2008 г.). «Оценка на основе радиоуглерода характеристик сохранения кренархеолов и алкенонов из отложений континентальной окраины» (PDF) . Органическая геохимия . Успехи органической геохимии 2007. 39 (8): 1039–1045. DOI : 10.1016 / j.orggeochem.2008.02.006 . hdl : 1912/2459 . ISSN 0146-6380 .
- ^ Карнер МБ, Делонг Е.Ф., Карл Д.М. (январь 2001 г.). «Доминирование архей в мезопелагиали Тихого океана». Природа . 409 (6819): 507–10. Bibcode : 2001Natur.409..507K . DOI : 10.1038 / 35054051 . PMID 11206545 . S2CID 6789859 .
- ^ Коннеке М., Бернхард А.Е., де ла Торре-младший, Уокер С.Б., Уотербери Д.Б., Шталь Д.А. (сентябрь 2005 г.). «Выделение автотрофного морского архея, окисляющего аммиак». Природа . 437 (7058): 543–6. Bibcode : 2005Natur.437..543K . DOI : 10,1038 / природа03911 . PMID 16177789 . S2CID 4340386 .
- ^ Кувшин, Анджела; Вухтер, Корнелия; Зиденберг, Кэти; Схоутен, Стефан; Sinninghe Damsté, Яап С. (2011). «Crenarchaeol отслеживает зимнее цветение аммиачных таумархеот в прибрежной зоне Северного моря» (PDF) . Лимнология и океанография . 56 (6): 2308–2318. Bibcode : 2011LimOc..56.2308P . DOI : 10,4319 / lo.2011.56.6.2308 . ISSN 0024-3590 .
- ^ Мусманн М., Брито I, Питчер А., Синнинге Дамсте Дж. С., Хатценпихлер Р., Рихтер А., Нильсен Дж. Л., Нильсен П. Х., Мюллер А., Даймс Х., Вагнер М., руководитель IM (октябрь 2011 г.). «Таумархеоты, изобилующие нитрифицирующими илами нефтеперерабатывающих заводов, экспрессируют амоА, но не являются обязательными автотрофными окислителями аммиака» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 108 (40): 16771–6. Bibcode : 2011PNAS..10816771M . DOI : 10.1073 / pnas.1106427108 . PMC 3189051 . PMID 21930919 .
- ^ Ким, Чон-Хен; ван дер Меер, Яап; Схоутен, Стефан; Хельмке, Пер; Уиллмотт, Вероника; Санджорджи, Франческа; Коч, Налан; Hopmans, Ellen C .; Дамсте, Яап С. Синнингхе (15 августа 2010 г.). «Новые индексы и калибровки, полученные на основе распределения липидов кренархей изопреноидных тетраэфиров: значение для прошлых реконструкций температуры поверхности моря». Geochimica et Cosmochimica Acta . 74 (16): 4639–4654. Bibcode : 2010GeCoA..74.4639K . DOI : 10.1016 / j.gca.2010.05.027 . ISSN 0016-7037 .
- ^ Shah, Sunita R .; Молленхауэр, Жезине; Окоучи, Наохико; Эглинтон, Тимофей I .; Пирсон, Энн (2008). "Происхождение липидов тетраэфира архей в отложениях: выводы из радиоуглеродного анализа" . Geochimica et Cosmochimica Acta . 72 (18): 4577–4594. Bibcode : 2008GeCoA..72.4577S . DOI : 10.1016 / j.gca.2008.06.021 . hdl : 1912/2486 .
- ^ а б в Schouten S, Huguet C, Hopmans EC, Kienhuis MV, Damsté JS (апрель 2007 г.). «Аналитическая методология палеотермометрии TEX86 с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии / химической ионизационно-масс-спектрометрии при атмосферном давлении». Аналитическая химия . 79 (7): 2940–4. DOI : 10.1021 / ac062339v . PMID 17311408 .