El tetrahimanol es un lípido de membrana de tipo gammacerano que se encontró por primera vez en el ciliado marino Tetrahymena pyriformis . [1] Más tarde se encontró en otros ciliados, hongos , helechos y bacterias . [2] Después de depositarse en sedimentos que se comprimen en rocas sedimentarias durante millones de años , el tetrahimanol se deshidroxila en gammacerano . [2] El gammacerano se ha interpretado como un indicador de la estratificación de la columna de agua antigua . [3]
El tetrahimanol es una molécula triterpenoide pentacíclica . Los triterpenoides son una clase de moléculas que se encuentran tanto en bacterias como en eucariotas , que producen principalmente hopanoles y esteroles , respectivamente. Las estructuras de estas tres clases de moléculas se muestran a continuación. El colesterol y el diplopteno se utilizan como estructuras modelo de esterol y hopanol, respectivamente. Si bien el diplopteno y el tetrahimanol tienen estructuras similares en términos generales, el quinto anillo del tetrahimanol es un ciclohexano en lugar de un ciclopentano . Las tres clases moleculares tienen estructuras que se prestan a la rigidez de la membrana y otras funciones fisiológicas aún desconocidas. La similitud del tetrahimanol con las otras clases de moléculas triterpenoides le permite sustituir a los hopanoles y esteroles en las membranas celulares. [4]
La estructura del tetrahimanol puede tener múltiples estereoisómeros . Sus sustituyentes quirales de metilo e hidrógeno pueden cambiar de enantiómero durante la diagénesis , lo que le otorga a la molécula diferentes propiedades con cada isómero. Cuando se analiza el gammacerano, el producto diagenético del tetrahimanol, sus isómeros se pueden separar y brindar información sobre el origen y la madurez térmica de la muestra. [5]
Todos los triterpenoides se sintetizan a través de la ciclización de la cadena isoprenoide C 30 , escualeno . Los eucariotas utilizan la oxidoscualeno ciclasa y varias otras enzimas para crear el esqueleto tetracíclico que se encuentra en los esteroides, un proceso que requiere oxígeno molecular. [6] Las bacterias utilizan una enzima similar ( shc ) para crear el precursor hopanoide pentacíclico , diplopteno; sin embargo, esta biosíntesis no requiere oxígeno. Recientemente se descubrió que las bacterias productoras de tetrahimanol forman diplopteno utilizando shc y luego alargan el ciclopentano final en un quinto anillo utilizando la tetrahimanol sintasa ( ths ). [4] Se desconoce si las bacterias modifican el diplopteno en otras moléculas de hopeno antes de crear tetrahimanol. También se ha encontrado con una metilación en el sitio C-3. [4]
Los eucariotas que viven en ambientes anaeróbicos no pueden sintetizar sus propios esteroles debido a la falta de oxígeno molecular. Estos organismos pueden obtener esteroles a través de la depredación. Sin embargo, puede haber momentos de carencia de esteroles. [7] La biosíntesis de tetrahimanol no requiere oxígeno y puede sustituir fácilmente a los esteroles. Se plantea la hipótesis de que los ciliados sintetizan tetrahimanol en respuesta a la falta de oxígeno y esteroles exógenos. [7] El gen para la tetrahimanol sintasa se encontró en los genomas de muchos géneros de alfa -, delta - y gammaproteobacteria , incluyendo Rhodopseudomonas , [8] Bradyrhizobium y Methylomicrobium . [4]
Se ha encontrado tetrahimanol en muchos ciliados marinos en concentraciones relativamente altas, lo que sugiere que puede ser un biomarcador útil en el registro de rocas de la Tierra. [9] Durante la diagénesis , el grupo funcional alcohol se pierde y el tetrahimanol se convierte en gammacerano. [2] Al igual que otros esqueletos triterpenoides saturados , el gammacerano es una molécula altamente estable que puede conservarse en rocas en escalas de tiempo geológicas. El biomarcador de gammacerano más antiguo se encontró en una roca de 850 millones de años. [5]
Basándose en estudios de fisiología microbiana, se sugirió que el gammacerano es un posible biomarcador de la estratificación oceánica . [3] Cuando las columnas de agua se estratifican, pueden formarse condiciones anóxicas en las aguas del fondo. Los ciliados que viven en estas condiciones deben adaptarse para producir lípidos que no requieren oxígeno molecular para su biosíntesis. Se ha demostrado una correlación directa entre la disponibilidad de esteroles y la síntesis de tetrahimanol en los ciliados , lo que lleva a la hipótesis de que el gammacerano en los sedimentos es un biomarcador de la estratificación oceánica. [3] [7]
Esta hipótesis fue recibida posteriormente con escepticismo. Si bien el tetrahimanol se había observado principalmente en ciliados , luego se demostró que varias bacterias sintetizaban el lípido y muchas bacterias en múltiples filos tenían el gen para la tetrahimanol sintasa. [4] Esta evidencia se ha utilizado para cuestionar el potencial del gammacerano como un biomarcador para la estratificación de la columna de agua . Por ejemplo, se demostró que las bacterias metanotróficas aeróbicas sintetizan tetrahimanol. Por lo tanto, no es únicamente una respuesta a entornos anóxicos. [4] Además, las alfaproteobacterias presentan una fuente potencialmente grande del lípido en el registro de rocas. Se ha sugerido que estos organismos pueden estar sintetizando gammacerano en respuesta a otros parámetros cambiantes durante la estratificación de la columna de agua, ya que la mayoría de las bacterias que contienen el gen ths prosperan en entornos dinámicos. [4]
Después de extraer rocas o muestras vivas con solventes orgánicos , el tetrahimanol, el gammacerano y otros lípidos se pueden separar usando cromatografía de gases . Esta técnica separa las moléculas en función de su polaridad y tamaño, que afectan inversamente el punto de ebullición . A medida que aumenta el punto de ebullición de un compuesto, pasa más tiempo como un líquido condensado en la fase estacionaria líquida enlazada de la columna de GC. Los compuestos más volátiles se dividirán en la fase móvil gaseosa y tendrán un tiempo de elución corto. Antes de la inyección en la columna cromatográfica , el sustituyente de alcohol en el tetrahimanol se acetila con anhídrido acético , [4] lo que le permite volatilizarse y entrar en el GC.
De manera similar a la cromatografía de gases, la cromatografía líquida se utiliza para separar moléculas antes de la detección; sin embargo, la cromatografía líquida tiene una fase móvil líquida . Después de cultivar microbios modernos que sintetizan tetrahimanol, muchas de las biomoléculas son demasiado polares para separarlas en la cromatografía de gases, por lo que la cromatografía líquida se utiliza para caracterizar la abundancia de diferentes lípidos . [10] Hay dos tipos principales de cromatografía líquida: fase normal y fase reversa . En la primera, la fase estacionaria es polar y la fase móvil se vuelve cada vez más no polar a medida que avanza la separación. La cromatografía de fase reversa es la inversa de esta configuración, fase estacionaria no polar con fase móvil polar. [10]
Después de que los lípidos se separan en la columna GC o LC, se detectan mediante espectrometría de masas (MS). La espectrometría de masas caracteriza la masa de una molécula dada fragmentando e ionizando primero la molécula en carbocationes más pequeños conocidos como iones hijos . Cada molécula tiene un patrón de fragmentación de diagnóstico en una fuente de iones dada . Las clases de moléculas a menudo tienen un ion fragmento característico que se puede utilizar para buscar esas moléculas en una corriente de iones total . [4] Esto se conoce como cromatograma de iones seleccionados (SIC). Los SIC se utilizan en espectrómetros de masas de cuadrupolo simple . Cuando se unen dos cuadrupolos en espectrometría de masas en tándem (MS/MS), se pueden aislar dos fragmentos de masa simultáneamente. Los experimentos MS/MS permiten filtrar la corriente de iones total tanto por el ion molecular como por el ion fragmento característico de una molécula dada. El ion molecular del gammacerano con una fuente de impacto de electrones es de 412 m/z. Al igual que otros triterpenoides pentacíclicos , tiene un fragmento de masa característico de 191 m/z. La combinación de 412 m/z y 191 m/z se conoce como la transición 412-->191 m/z y se puede utilizar para buscar un cromatograma específicamente para gammacerano. [5]
En 1988, Summons et al. estudiaron la Formación Kwagunt del Proterozoico del Grupo Chuar en el Gran Cañón , Arizona . Esta roca sedimentaria tiene 850 millones de años. [5] Después de realizar una extracción de las rocas con solventes orgánicos, Summons caracterizó la abundancia de varios biomarcadores lipídicos utilizando GC-MS/MS, como se describió anteriormente. Usando la transición 412-->191 m/z, identificaron gammacerano en el extracto. Summons interpretó esta señal como el producto diagenético del tetrahimanol. En ese momento, este lípido solo se había observado en protozoos, principalmente ciliados . Lo interpretaron como un biomarcador de la existencia de protozoos en el Neoproterozoico . Este informe sigue siendo la observación más antigua de gammacerano en el registro de rocas. [5]