Genetische Methoden ermöglichen die Nutzung fossiler Lipide als Biomarker für sauerstoffproduzierende Ur-Bakterien

Ein internationales Forschungsteam um Benjamin Nettersheim vom MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen, Yosuke Hoshino und Christian Hallmann vom Deutschen GeoForschungsZentrum (GFZ) hat nun die stammesgeschichtliche Entwicklung und Verbreitung einiger Gene untersucht, die für die Synthese des Lipids 2-Methylhopan verantwortlich sind: Die Forschenden haben entschlüsselt, wann diese Gene von bestimmten Gruppen von Organismen erworben wurden. So konnten sie zeigen, dass bestimmte Gene wahrscheinlich schon im letzten gemeinsamen Vorfahren der Cyanobakterien vor über zwei Milliarden Jahren vorhanden war, während das Gen HpnP in den Alphaproteobakterien erst vor etwa 750 Millionen Jahren auftauchte. Für die Zeiten davor können 2-Methylhopane also weiter als eindeutiger Biomarker für sauerstoffproduzierende Cyanobakterien dienen. Alle drei Autoren haben zuvor gemeinsam am MARUM gearbeitet.

Die jetzt im Fachmagazin Nature Ecology & Evolution veröffentlichte Studie zeigt, wie die Genetik im Zusammenspiel mit Sedimentologie, Paläobiologie und Geochemie den diagnostischen Wert von Biomarkern verbessern und die Rekonstruktion der frühen Ökosysteme verfeinern kann. „Das frühe Leben hat nur wenige und oft kryptische Spuren hinterlassen“, sagt Benjamin Nettersheim, „aber wissenschaftlicher Fortschritt und die Kombination unterschiedlicher Analysemethoden über traditionelle Fachgrenzen hinweg ermöglichen nun neue, spannende Einblicke in die gemeinsame Entwicklung des Planeten und Lebens zu einer Welt die von immer komplexeren Lebewesen wie Tieren bevölkert werden konnte.“

Hintergrund: Die Bedeutung von Cyanobakterien in der Erdgeschichte
Cyanobakterien spielten eine entscheidende Rolle bei der Umwandlung der Erde von ihrem anfänglichen sauerstofflosen Zustand in ein modernes, sauerstoffreiches System, in dem zunehmend komplexes Leben möglich wurde. Cyanobakterien waren vermutlich über weite Strecken des Präkambriums, die ersten rund vier Milliarden Jahre der Erdgeschichte, von den Anfängen bis etwa vor 540 Millionen Jahren, die einzige relevante Gruppe von Organismen —sogenannte Primärproduzenten, die anorganische in organische Substanzen umwandelte und dabei Sauerstoff produzierte. Daher ist die Analyse ihrer evolutionären Entwicklung von großer Bedeutung für das Verständnis der gemeinsamen Geschichte von Leben und Erde.

Neuer Ansatz: Umfassende genetische Analyse kombiniert mit neuen, hochreinen Sedimentanalysen
Ein internationales Forschungsteam, zu dem auch Benjamin Nettersheim gehört, hat nun systematisch untersucht, welche Organismen außer Cyanobakterien die für die Produktion von 2-Methylhopanoid notwendigen Gene mit der Abkürzung SC und HpnP besitzen und wann sie sie im Laufe ihrer Entwicklungsgeschichte erworben haben. Auf diese Weise konnte das Team zeigen, dass das fossile Lipid 2-Methylhopan für die Zeiten, die mehr als 750 Millionen Jahre zurückliegen, auch weiter als eindeutiger Biomarker für die Existenz von Cyanobakterien genutzt werden kann.

Darüber hinaus haben die Forschenden eine integrierte Darstellung der 2-Methylhopan-Produktion im Laufe der Erdgeschichte erstellt. Hierfür kombinierten sie ihre molekularen Daten mit neuen, unter hochreinen Bedingungen durchgeführten Sedimentanalysen. Laut Benjamin Nettersheim „ist es diese Kombination von modernen molekularbiologischen Methoden mit neuen Wegen der geochemischen Analyse von fossilen biologischen Molekülen die nur in Spuren-Konzentrationen in alten Sedimentgesteinen vorkommen, die vollkommene neue Einblicke in frühe Ökosysteme ermöglicht“.

„Die von uns vorgeschlagene Methode ist im Prinzip auf jede organische Substanz in geologischen Archiven anwendbar und hat ein großes Potenzial, die evolutionäre Entwicklung verschiedener Ökosysteme mit deutlich höherer zeitlicher und räumlicher Auflösung als bisher zu verfolgen“, resümiert Erstautor Yosuke Hoshino.

Die Ergebnisse im Einzelnen
Es gibt viele Bakterien, die SC- und HpnP-Gene besitzen, in der Hauptsache sind dies aber Cyanobakterien und Alphaproteobakterien. Es zeigte sich, dass beide Gruppen die SC- und HpnP-Gene unabhängig voneinander erworben haben. Das steht im Gegensatz zu früheren Studien, die zu dem Schluss kamen, dass Cyanobakterien diese Gene von Alphaproteobakterien in einem späten Stadium ihrer Evolution erworben haben.

Die neue Studie ergab ferner, dass der gemeinsame Vorfahre der Cyanobakterien beide Gene bereits vor mehr als 2,4 Milliarden Jahren besaß, als sich während der sogenannten Großen Sauerstoffkatastrophe Sauerstoff in der Atmosphäre anzureichern begann.

Dagegen haben Alphaproteobakterien die SC- und HpnP-Gene frühestens vor etwa 750 Millionen Jahren erworben. Davor wurden 2-Methylhopanoide folglich praktisch nur von Cyanobakterien produziert.
Die Forschenden interpretieren einen leicht verzögerten Anstieg der 2-Methylhopane in den Sedimenten vor etwa 600 Millionen Jahren als Zeichen für die globale Ausbreitung der Alphaproteobakterien, die möglicherweise den gleichzeitigen evolutionären Aufstieg der eukaryotischen Algen begünstigt hat.

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