Les méthodes génétiques permettent d’utiliser des lipides fossiles comme biomarqueurs pour les bactéries primordiales productrices d’oxygène

Une équipe de recherche internationale dirigée par Yosuke Hoshino du Centre allemand de recherche en géosciences GFZ et Benjamin Nettersheim du MARUM – Centre des sciences de l’environnement marin de l’Université de Brême a étudié la diversification phylogénétique et la distribution des gènes – y compris HpnP – qui sont responsables de la synthèse des lipides parents des 2-méthylhopanes : les chercheurs ont décrypté quand ces gènes ont été acquis par certains groupes d’organismes. Ils ont pu montrer que HpnP était probablement déjà présent chez le dernier ancêtre commun des cyanobactéries il y a plus de deux milliards d’années, alors que le gène n’est apparu chez les alphaprotéobactéries qu’il y a environ 750 millions d’années. Pour les périodes antérieures, les 2-méthylhopanes peuvent donc servir de biomarqueur clair pour les cyanobactéries productrices d’oxygène.

L’étude, qui a maintenant été publiée dans la revue Écologie et évolution de la naturemontre comment la génétique, en interaction avec la sédimentologie, la paléobiologie et la géochimie, peut améliorer la valeur diagnostique des biomarqueurs et affiner la reconstruction des premiers écosystèmes.

Contexte : L’importance des cyanobactéries dans l’histoire de la Terre

Les cyanobactéries ont joué un rôle crucial dans la transformation de la Terre de son état initial sans oxygène à un système moderne et riche en oxygène dans lequel une vie de plus en plus complexe est possible. Les cyanobactéries étaient probablement le seul groupe pertinent d’organismes qui convertissaient des substances inorganiques en substances organiques (appelées producteurs primaires) et produisaient de l’oxygène pendant de longues périodes du Précambrien (les quelque quatre premiers milliards d’années de l’histoire de la Terre, depuis ses débuts jusqu’à environ 540). il y a des millions d’années). L’analyse de leur évolution est donc d’une grande importance pour comprendre l’histoire commune de la vie et de la Terre.

L’importance des lipides fossiles comme biomarqueurs

En principe, les restes fossiles de cyanobactéries entières peuvent servir d’indicateur de la présence de photosynthèse oxygénée dans le passé géologique. Cependant, en raison de biais de préservation et d’ambiguïtés dans la reconnaissance des cellules cyanobactériennes fossiles, les géochimistes utilisent plutôt des lipides diagnostiques fossilisés, tels que les 2-méthylhopanes. Les 2-méthylhopanoïdes (molécules mères non fossilisées) sont produits par les bactéries et, contrairement aux bactéries elles-mêmes, peuvent être fossilisés et détectés dans les roches sédimentaires même après des centaines de millions d’années, en bonne qualité et en quantités correspondant à leur valeur d’origine. occurrence.

Cependant, des doutes sont apparus récemment quant à l’utilité du 2-méthylhopane comme biomarqueur des cyanobactéries : la découverte du gène de biosynthèse des lipides a révélé que les alphaprotéobactéries sont également capables de produire ces lipides. Cela signifie qu’il n’est plus possible de retracer temporellement les processus de production d’oxygène sur Terre par les 2-méthylhopanes.

Nouvelle approche : analyse génétique complète combinée à de nouvelles analyses de sédiments de haute pureté

Une équipe de recherche internationale dirigée par Yosuke Hoshino et Christian Hallmann, scientifiques de la section 3.2 « Géochimie organique » du GFZ, et Benjamin Nettersheim du MARUM de l’Université de Brême a maintenant systématiquement étudié quels organismes autres que les cyanobactéries possèdent les gènes (en abrégé SC et Gènes HpnP) nécessaires à la production de 2-méthylhopanoïdes, et quand ils ont acquis ces gènes au cours de l’évolution. L’équipe a ainsi pu montrer que le lipide fossile 2-méthylhopane peut encore être utilisé comme biomarqueur clair de l’existence de cyanobactéries depuis plus de 750 millions d’années.

De plus, les chercheurs ont créé un enregistrement intégré de la production de 2-méthylhopane au cours de l’histoire de la Terre. Pour cela, ils ont combiné leurs données moléculaires avec de nouvelles analyses de sédiments réalisées dans des conditions de haute pureté.

“La méthode que nous proposons est en principe applicable à toute matière organique présente dans les archives géologiques et présente un grand potentiel pour retracer l’évolution de différents écosystèmes avec une résolution temporelle et spatiale bien plus élevée qu’auparavant”, résume Hoshino.

Méthodologie I : Étude informatique pour l’analyse génétique

Pour l’analyse des relations génétiques, Hoshino a recherché dans des bases de données accessibles au public, contenant des millions de séquences de gènes et de protéines, des organismes dotés des gènes SC et HpnP. Sur la base de cet ensemble de données génétiques, il a créé des arbres dits phylogénétiques, qui fournissent des informations sur la manière dont les gènes SC et HpnP ont été transférés entre différents organismes et si le transfert de gènes a eu lieu verticalement par héritage ou horizontalement entre des organismes sans rapport évolutif. En outre, les chercheurs ont également pu déterminer quand les transferts de gènes individuels ont eu lieu dans l’histoire évolutive des gènes en comparant des études antérieures utilisant la technique dite de l’horloge moléculaire qui prend en compte le taux de mutation de l’ADN et estime la chronologie du gène. évolution.

Méthodologie II : Nouveau type de préparation d’échantillons ultra-propre

De plus, comme les enregistrements de biomarqueurs précambriens sont extrêmement sensibles à la contamination, les chercheurs ont utilisé une méthode ultra-propre pour extraire la matière organique des carottes de sédiments. Les échantillons géologiques sous forme de carottes ont été collectés par plusieurs co-auteurs de 16 pays. Ils représentent différentes périodes géologiques depuis le Paléoprotérozoïque (il y a 2,5 milliards d’années) jusqu’à nos jours. L’abondance relative des 2-méthylhopanes a ensuite été mesurée dans la matière organique.

Les résultats en détail

De nombreuses bactéries possèdent à la fois les gènes SC et HpnP, mais il s’agit principalement de cyanobactéries et d’alphaprotéobactéries. Chaque groupe a acquis les deux gènes indépendamment. Cela contraste avec les études antérieures concluant que les cyanobactéries avaient acquis ces gènes auprès des alphaprotéobactéries à un stade avancé de leur évolution. La nouvelle étude a en outre révélé que l’ancêtre commun des cyanobactéries possédait déjà les deux gènes il y a plus de 2,4 milliards d’années, lorsque l’oxygène a commencé à s’accumuler dans l’atmosphère lors de ce que l’on appelle la grande oxydation.

En revanche, les alphaprotéobactéries ont acquis les gènes SC et HpnP au plus tôt il y a seulement 750 millions d’années. Avant cela, les 2-méthylhopanoïdes n’étaient donc produits que par des cyanobactéries. Les chercheurs interprètent une augmentation légèrement retardée des 2-méthylhopanes sédimentaires il y a environ 600 millions d’années comme un signe de la propagation mondiale des alphaprotéobactéries, qui pourrait avoir favorisé l’augmentation évolutive concomitante des algues eucaryotes.

Résumé et perspectives

“Les méthodes analytiques individuelles mentionnées ci-dessus ne sont pas nouvelles, mais peu de chercheurs ont tenté auparavant d’effectuer des analyses complètes pour SC et HpnP et d’intégrer des données génétiques avec des données de biomarqueurs sédimentaires, car cela nécessite de combiner deux disciplines scientifiques complètement différentes : la biologie moléculaire et la biologie organique. géochimie”, explique Hoshino.

“La source des 2-méthylhopanes sédimentaires fait l’objet de longs débats”, ajoute Christian Hallmann. — « Cette nouvelle étude apporte non seulement des éclaircissements sur le caractère diagnostique des 2-méthylhopanes et le rôle des cyanobactéries en profondeur ; sa méthodologie offre une nouvelle voie pour affiner le caractère diagnostique, en théorie, de tout biomarqueur lipidique une fois que les gènes de biosynthèse sont connu.”