BGDGT 古のバイオ マーカー解析の概要
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Overview
ソース: ジェフ Salacup – マサチューセッツ大学アマースト校講座
ビデオのこのシリーズ中、天然試料は抽出され気候と過去の環境に関する情報を関連付けることができるバイオ マーカーと呼ばれる有機化合物の検索で精製します。分析試料の堆積物だった。堆積物は運動と重力に土砂の流れる液体 (水または空気) の作用により地球のくぼみ、流域の地質学的時間をかけて蓄積します。洗面器の 2 種類が存在する海洋 (海洋および海) および湖 (湖)。1 つが推測可能性があります非常にさまざまな種類の生命のこれらの設定は、それらの間で塩分濃度の差の大きな原動力で住んでいます。最後の数十年間、有機地球化学はバイオ マーカーのプロキシ、または湖沼海洋環境下での作業のいくつかをいくつかの作業気候または環境を記述する使用ことができる化合物のツールボックスを発見しました。我々 はここで湖岸の王国に目を向けるし、グリセロール ジアルキル グリセロール tetraethers (図 1を分岐)。
このセクションで分岐グリセロール ジアルキル グリセロール tetrathers (図 1; brGDGTs) と MBT/CBT プロキシを使用して地上の古地温の分析に着目します。このプロキシは、Weijersらによって見出されました。1 brGDGTs リングと分岐構造の分布に基づいています。彼らは見つけた分岐 tetraethers (CBT) の環化された土壌の pH に直接関係があります。
CBT = ログ ((Ib + IIb)/(I ・ II))
平均年次気温 (マアト) によるより少ない程度に、分岐した tetraethers (MBT) のメチル化が求めた土壌 pH。
MBT = (私 + Ib + Ic)/(私 + Ib + Ic) + (II + IIb + IIc) + (III + IIIb + IIIc)
したがって、撮影一緒と校正は、MBT/CBT には土の温度と pH の両方に brGDGTs の分布が関連しています。
MBT = 0.122 + (0.187 x CBT) + (0.020 xマアト)
分岐 GDGTs は膜脂質の生産にわたる最初嫌気性アシドバクテリウム門細菌土および泥炭2 5、生活に起因したが、後続作業は彼らはまた好気、無酸素の湖と海水の列と堆積物の6-9で生成される可能性が示唆されたと考えられます。仮説を保持アシドバクテリウム門変換不飽和を高めるために温度を下げることへの応答で環化反応にメチル化のサイト (環化は効果的に 2 つの水素原子を削除します) 膜流動性を維持し、(類似によって、飽和脂肪 (バター)、固体室温液体である不飽和脂肪 (オリーブ オイル))、アシドバクテリウム門文化で主要な脂質としてまだ識別されていない分岐 GDGTs ですが。したがって、正確な起源は不明です。
環境変数 (温度、pH、塩分、降水量等) に分岐した GDGTs の校正は、広範な研究のトピックです。世界中の有機地球化学研究所は、グローバル1, 10と分岐 GDGTs と (主に) 温度の地域11 13校正の両方の開発の仕事に携わっています。したがって、上記方程式を定期的にされている洗練された、完成します。
沿岸の海洋堆積物も検討したが、分岐 GDGTs 通常湖底堆積物から抽出されます。抽出物は、LC の影響を受けやすい可能性がありますいないまたは生成 GDGTs と溶出が共同する他の化合物から GDGTs を浄化するシリカゲルカラムを受けます。GDGTs は、メタノールを示して極わずかに出てくる。
総脂質エキスを精製、抽出および精製サンプル結合した化学イオン化質量分析計、高速液体クロマトグラフィーに実行されます。選択した質量イオン (m/z; の曲線下の領域を取得することによって、GDGTs の相対濃度を決定します。図 1)(Agilent Chemstation) などこの目的のために設計されたコンピュータ ・ ソフトウェアの化合物ごとに。これらの領域は、古決定で着くために選択した校正式に入れています。
図 1.(博士イスラ castañeda さんイメージを製作者の許可を得て使用) MBT/CBT プロキシ経由で温度の計算に使用する分岐 GDGTs の構造。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
バイオ マーカーと呼ばれる有機化合物は、気候と過去の環境に関する情報を関連付けること地球科学の paleothermometers として使用できます。
生物は、彼らが住んでいた環境に関する情報を提供するこれらのバイオ マーカーを生成します。彼らは地球の温度何百万年前のような過去のイベントについての情報を教えてくださいするプロキシとして機能できます。
地上の水温は、淡水盆地の堆積物のバイオ マーカーを使用して分析できます。これらのバイオ マーカーの 1 つの主要クラスは、枝分かれしたグリセロール ジアルキル グリセロール tetraethers、または分岐 GDGTs です。
新鮮な水環境の変化過去数百万年の何百もの以上を調査する古気候学と呼ばれる研究領域を紹介します。これにより、現在および将来の気候や環境の変化を解明します。
堆積物は、流体運動と堆積盆地の低地の地殻の重力のための地質学的時間をかけて蓄積します。盆には、海底堆積物を収集、海洋または湖の湖底堆積物を収集が含まれます。海洋・湖沼流域には、塩分濃度の違いによっての大きな原動力とそれらの間の生物の種類が含まれています。したがって、海洋・湖沼流域には、異なるバイオ マーカーが含まれています。
分岐した GDGTs 膜貫通すると考えられている嫌気性アシドバクテリウム門の脂質。研究では、温度変化に応答膜特性を生産生物に変更を示唆しています。
この変更は、分岐 GDGT のより冷たい温度で硬くてサイトに膜流動性を強化することでメチル化サイトの変換によって引き起こされます。この構造変更は、プロキシを介して温度を相互に関連付けることが。プロキシ、計り知れない変数に相関する測定可能な物理現象であります。
このプロキシには、温度にバイオ マーカーの数、CBT、環化反応、または MBT、メチル化が関連しています。実験的導出方程式は、MBT と過去平均年次空気温度に CBT を関連付けることができます。
分岐 GDGT バイオ マーカーと地温との関係を研究するには、堆積物にする必要があります収集、3 つの方法のいずれかによって抽出、精製と解析。
分岐 GDGT バイオ マーカーと地温との関係を勉強するには、脂質分子は最初さまざまなテクニックを使用して、湖底の堆積物から抽出されます。超音波処理による抽出は、総脂質抽出または TLE, 底質試料から取得の最も簡単なと最も高価な方法です。このため、超音波浴、有機溶剤を含むバイアルでサンプルを扇動するために使用されます。メタノール及びジクロロ メタンの混合物を使用して、極性の広い範囲でバイオ マーカーを抽出します。別の抽出法は、ソックスレー抽出法を採用しています。ソックスレー抽出器により、逆流、または上向きに復水器で冷たい水によって冷却され、返される丸底フラスコから有機溶媒の連続サイクリングします。サンプルを含むガラス繊維の指ぬきに該当する溶剤を凝縮。一度、商工会議所は時間をかけて連続抽出を有効にする丸底フラスコに有機溶剤の背面をサイフォンします。
この手法は、大規模な土砂大衆の抽出および測定器の校正の基準の大ボリュームの準備に便利です。最後に、高速溶媒抽出または ASE、高温高圧抽出処理の速度を高めるために利用して抽出の商標登録された手法であります。ASE 楽器は、最大 24 の個々 のサンプルを保持し、抽出プロセスのすべてのパラメーターの正確な制御が可能になります。その速度と使いやすさのため、ASE は、溶媒抽出法の標準的な方法として使用されます。
脂質サンプルを抽出するには、これらのテクニックのいずれかを使用して、一度、分析の準備のために浄化されます。通常、シリカゲルはその極性に基づく脂質サンプルを浄化するために使用されます。このため、ゲルと呼ばれるシリカの微粉末と小さなガラスの列が読み込まれます。列は、通常、ヘキサン、極冠の溶媒、飽和状態で、サンプルが上に読み込まれます。抽出物の分離は、ターゲット化合物の固相または溶媒の親和性に基づいています。
極性化合物、この場合分岐 gdgt かかわらずは、極冠ヘキサンより極シリカにより惹かれます。したがって、極冠化合物、炭化水素など、半ば極性化合物、ケトン、アルコール、高極性化合物などは、異なるレートで、溶媒の極性の増加に応答列を旅行します。
別画分の溶離液を収集します。
精製 GDGT の高性能液体クロマトグラフィー質量分析計を結合を使用して分析しているまたは LC さん LC-MS 最初、化合物を分離し、その質量電荷比に基づいてそれらを分析します。
これにより gdgt かかわらず選択した質量イオンの曲線下面積を使用しての各タイプの相対的な濃度の測定です。MBT は、合計をグループ 1 分子の割合として計算されます。
CBT は、グループ 1 および 2 の分子を使用して否定的なログとして計算されます。MBT と CBT は、水温測定に到着するために、実験的由来の方程式に接続されています。
バイオ マーカーのプロキシを使用した古水温の推定は、地球科学に応用範囲に便利です。
まず、paleothermometry は、時間の長い期間にわたって地球の温度の測定を有効化。 にします。様々 なテクニックを使用して、地球の温度は、5 億年まで遡って推定されています。これは生物進化の異なるフォーム内温度の封筒を告げて、拡張子、未来、過去、地球の生物圏、水圏、岩石圏と雰囲気温度の効果の調査を通知します。
地球温度の最近の傾向は、paleothermometry を使用して構築されたレコードに対して示すことができます。地球の表面温度は、1850 年から最後の二十年に強調された温暖化の傾向と現在にほぼ 1 度が増加しています。地球規模の気候への人為的な影響を理解するには、正確な古気候記録を開発し、コンテキストとして使用する必要があります。
ゼウスの概要の分岐グリセロール ジアルキル グリセロール テトラ エーテル Paleothermometry を見てきただけ。分岐 GDGT バイオ マーカーの使用方法と抽出し、それらを精製の全体的な技術を今理解する必要があります。このシリーズの次のビデオは、この複雑なプロセスについての詳細に入ります。
見てくれてありがとう!
Procedure
References
- Weijers, J. W. H. et al. Environmental controls on bacterial tetraether membrane lipid distribution in soils, Geochimica et Cosmochimica Acta, 71(3), 703-713 (2007).
- Damste, J. S. S. et al. 13,16-Dimethyl Octacosanedioic Acid (iso-Diabolic Acid), a Common Membrane-Spanning Lipid of Acidobacteria Subdivisions 1 and 3. Appl Environ Microb, 77, 4147-4154 (2011).
- Hopmans, E. C. et al. A novel proxy for terrestrial organic matter in sediments based on branched and isoprenoid tetraether lipids, Earth and Planetary Science Letters, 224(1-2), 107-116 (2004).
- Weijers, J. W. H. et al. Membrane lipids of mesophilic anaerobic bacteria thriving in peats have typical archaeal traits. Environ Microbiol, 8, 648-657 (2006).
- Weijers, J. W. H., Schouten, S., Spaargaren, O. C., Damste, J. S. S. Occurrence and distribution of tetraether membrane lipids in soils: Implications for the use of the TEX86 proxy and the BIT index. Organic Geochemistry, 37, 1680-1693 (2006).
- Chappe, B., Albrecht, P., Michaelis, W. Polar Lipids of Archaebacteria in Sediments and Petroleums. Science, 217, 65-66 (1982).
- Peterse, F. et al. Constraints on the application of the MBT/CBT palaeothermometer at high latitude environments (Svalbard, Norway). Organic Geochemistry, 40, 692-699 (2009).
- Tierney, J. E., Russell J. M. Distributions of branched GDGTs in a tropical lake system: Implications for lacustrine application of the MBT/CBT paleoproxy, Organic Geochemistry, 40(9), 1032-1036 (2009).
- Zhu, C. et al. Sources and distributions of tetraether lipids in surface sediments across a large river-dominated continental margin. Organic Geochemistry, 42, 376-386 (2011).
- Pearson, E. J. et al. A lacustrine GDGT-temperature calibration from the Scandinavian Arctic to Antarctic: Renewed potential for the application of GDGT-paleothermometry in lakes. Geochimica et Cosmochimica Acta. 75, 6225-6238 (2011).
- Damste, J. S. S., Ossebaar, J., Schouten, S., Verschuren, D. Altitudinal shifts in the branched tetraether lipid distribution in soil from Mt. Kilimanjaro (Tanzania): Implications for the MBT/CBT continental palaeothermometer. Organic Geochemistry, 39, 1072-1076 (2008).
- Loomis, S. E., Russell, J. M., Ladd, B., Street-Perrott, F. A., Damste, J. S. S. Calibration and application of the branched GDGT temperature proxy on East African lake sediments. Earth and Planetary Science Letters, 357, 277-288 (2012).
- Tierney, J. E. et al. Environmental controls on branched tetraether lipid distributions in tropical East African lake sediments. Geochimica et Cosmochimica Acta, 74, 4902-4918 (2010).
Transcript
Organic compounds called biomarkers can be used in Earth Science as paleothermometers to relate information on climates and environments of the past.
Living organisms produce these biomarkers, which provide us with information about the environment in which they lived. They can act as a proxy to tell us information about past events, like the Earth’s temperature millions of years ago.
Terrestrial paleotemperature can be analyzed using biomarkers found in sediment from fresh-water basins. One key class of these biomarkers are branched glycerol dialkyl glycerol tetraethers, or branched GDGTs.
This video will introduce the area of study, called paleoclimatology, which investigates past changes in fresh-water environments over hundreds of millions of year. This helps elucidate current and future climate and environmental changes.
Sediments accumulate over geologic time, due to fluid movement and gravity, in sedimentary basins, or low areas in the Earth’s crust. Sedimentary basins include oceans, which collect marine sediment, or lakes, which collect lacustrine sediment. Marine and lacustrine basins contain different types of organisms, driven in large part by the difference in salinity between them. Thus, marine and lacustrine basins contain different biomarkers.
Branched GDGTs are thought to be membrane-spanning lipids of anaerobic acidobacteria. Research suggests that the producing organisms change membrane properties in response to changing temperature.
This change is caused by the transformation of methylated sites on the branched GDGT’s to cyclized sites at colder temperatures, thereby enhancing membrane fluidity. This change in structure can then be correlated to temperature through a proxy. Proxies are measureable physical phenomena that are correlated to immeasurable variable.
This proxy relates the number of methylations or MBT, and cyclizations, or CBT, in the biomarker to temperature. An experimentally-derived equation can relate MBT and CBT to the past Mean Annual Air Temperature.
To study the relationship between branched GDGT biomarkers and soil temperature, lacustrine sediment must be collected, extracted by one of three techniques, purified, and analyzed.
To begin studying the relationship between branched GDGT biomarkers and soil temperature, the lipid molecules are first extracted from lacustrine sediments, using a variety of techniques. Extraction via sonication is the simplest and least expensive method of obtaining the total lipid extract, or TLE, from a sediment sample. For this, an ultrasonic bath is used to agitate the sample in a vial containing organic solvent. A mixture of methanol and dichloromethane is used to extract biomarkers with a wide range of polarities. Another extraction technique utilizes Soxhlet extraction. A Soxhlet extractor enables the reflux, or continuous cycling, of organic solvent from a round-bottom flask upward into a condenser, which is cooled by cold water and returned. The condensed solvent falls into a glass fiber thimble containing the sample. Once full, the chamber siphons the organic solvent back into the round-bottom flask, enabling continuous extraction over time.
This technique is helpful in the extraction of large sediment masses, and the preparation of large volumes of standards for instrument calibration. Finally, accelerated solvent extraction, or ASE, is a trademarked method of extraction that utilizes high temperature and pressure to increase the kinetics of the extraction process. The ASE instrument holds up to 24 individual samples, and allows for precise control of all parameters in the extraction process. Due to its speed and simplicity of use, ASE is commonly used as the standard method of solvent extraction.
Once the lipid sample is extracted using one of these techniques, it is purified in preparation for analysis. Typically, silica gel column chromatography is used to purify the lipid sample based on its polarity. For this, a small glass column is loaded with a fine powder of silica, called a gel. The column is then saturated with an apolar solvent, typically hexane, and then the sample loaded on the top. The separation of the extract is based on the affinity of the target compound for either the solid phase or the solvent phase.
Polar compounds, in this case branched GDGT’s, are more attracted to the polar silica than the apolar hexane. Thus, the apolar compounds, such as hydrocarbons, the mid-polar compounds, such as ketones and alcohols, and the highly polar compounds, will travel the column at different rates and in response to solvents of increasing polarity.
The eluents are then collected in separate fractions.
The purified GDGT’s are then analyzed using high performance liquid chromatography coupled to a mass spectrometer, or LC-MS. LC-MS first separates the compounds, and then analyzes them based on their mass-to-charge ratio.
This enables the determination of the relative concentration of each type of GDGT using the area under the curve for the selected mass ion. MBT is calculated as the fraction of the group 1 molecules to the total.
CBT is then calculated as a negative log using molecules in groups 1 and 2. MBT and CBT are then plugged into an experimentally-derived equation, in order to arrive at a paleotemperature determination.
The determination of paleotemperature using biomarker proxies is useful in a range of applications in earth science.
First, paleothermometry enables the determination of the Earth’s temperature over long periods of time. Using various techniques, the temperature of Earth has been estimated as far back as 500 million years. This tells us the envelope of temperature within which different forms of life evolved and informs investigations of the effects of temperature on Earth’s biosphere, hydrosphere, lithosphere, and atmosphere in the past, and by extension, the future.
More recent trends in the Earths temperature can also be quantified against records constructed using paleothermometry. The Earths surface temperature has increased by nearly 1 degree from 1850 to the present with an accentuated warming trend in the last two decades. To understand the anthropogenic impact on global climate, accurate paleoclimate records must be developed and used as context.
You’ve just watched JoVE’s Overview of Branched Glycerol Dialkyl Glycerol Tetraether Paleothermometry. You should now understand how the branched GDGT biomarkers are used, and the overall technique of extracting and purifying them. The following videos in this series will go into more detail about this complex process.
Thanks for watching!