Linking fossil climate proxies to living bacteria helps climate predictions

~~ scroll naar beneden voor Nederlands ~~ for Dutch scroll down ~~

Microbial skins are made out of lipids – fatty molecules – which can be preserved as fossils telling us stories about how these microbes lived in the past. “Some microbial lipids are widely used to reconstruct past climates. They have always been surrounded by mystery, as we did not know which microbes were making them and under which conditions. This lack of information limits the predictive power of these molecules to reconstruct past environmental conditions,” says Sahonero, Now, her study shows which bacteria make these lipids and also how they have evolved their lipid skin to adapt to environmental changes – another step towards reconstructing and predicting climate change in more detail.

Climate reconstructions
Lipids, the molecular building blocks of the cell membrane, are unique for each microbial species. “It works just like fingerprints, they can be used to identify microbial remains,” says Laura Villanueva, associate professor in the Faculty of Geosciences in Utrecht University and senior scientist at NIOZ. The lipids of ancient microbes can be found in old sediments. Once these molecules from the past are separated, identified and related to currently living groups of bacteria, the lipids can work like ‘biomarkers’. These markers can tell us about the atmospheric and oceanic conditions of the ancient earth, because we know from the living relatives of the microbes how they interact with their environment.

Who made these molecules and how?
For long, it was unclear precisely which bacteria were making these specific lipids, called branched Glycerol Dialkyl Glycerol Tetraethers (GDGTs). This type of lipids are often used in climate reconstructions. Diana and her colleagues have finally discovered the bacteria forming these lipids. And also how these bacteria actually make the lipids. “It was like looking for a needle in a haystack”, says Sahoreno. “From the start, we knew we had to answer this question with a massive approach. We needed to investigate more than 1850 proteins to identify microbes making these lipid molecules.”

Once researchers know which currently living bacteria make these lipid molecules, they can be used to make more accurate climate reconstructions. Researchers can measure the interactions of these living bacteria with their surrounding seawater or atmosphere. This information leads to ‘proxies’ – keys to correlate details of the lipid molecules (abundance for instance) to values of the environment. This is an important step in reconstructing past environmental and climate conditions, based on old sediment samples.

Early evolution of life
“Our study indicates that there are many species of currently living bacteria that can make these type of membrane lipids. Also, we found that those bacteria are all limited to environments where oxygen is absent,” says Sahonero. “This study into archaeal-like lipids of bacteria shows how this group of microbes that produces them evolved their lipid membrane billions of years ago. It is fantastic to get a glimpse of this part of life’s history. It was mostly a mystery until now.”

What next?
The work of Sahonero and her colleagues is still ongoing. “Now we know which bacteria form these molecular building blocks and we understand how they do that. Next, we need to find out how the production of these molecules depends on environmental factors like water temperature or pH,” says Villanueva. “Then, the proxy based on these bacterial lipids can be used more confidently by (paleo)climatologists. This gives them new possibilities to reconstruct and predict climate change in more detail.”

Fossiele bacteriën koppelen aan Levende neefjes, helpt bij klimaatvoorspellingen

Microben hebben een huid die reageert op de omgeving, net zoals onze huid zweet als het warm is, of rilt als het buiten koud is. Gefossiliseerde microbiële huidjes kunnen ons een glimp geven van hoe het klimaat was in het verre geologische verleden. Door de "ontbrekende schakel" tussen dergelijke fossiele huidjes en de huidjes van levende bacteriën te ontdekken, heeft Diana Sahonero, microbioloog bij het Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee (NIOZ), de nauwkeurigheid van klimaatreconstructies en -voorspellingen sterk verbeterd.

Microbiële huiden, membranen genoemd, zijn gemaakt van lipiden - vetmoleculen - die als fossielen bewaard kunnen blijven en ons verhalen vertellen over hoe deze microben in het verleden leefden. "Sommige microbiële lipiden worden veel gebruikt om het klimaat in het verleden te reconstrueren. Ze zijn altijd met geheimzinnigheid omgeven geweest, omdat we niet wisten welke microben ze precies maakten en onder welke omstandigheden. Dit gebrek aan informatie beperkt de voorspellende kracht van deze moleculen om milieuomstandigheden in het verleden te reconstrueren," zegt Sahonero. Nu laat haar studie zien welke bacteriën deze lipiden maken en ook hoe zij hun lipidehuidje hebben geëvolueerd om zich aan te passen aan veranderingen in het milieu - een nieuwe stap in de richting van een meer gedetailleerde reconstructie en voorspelling van klimaatverandering.

Klimaatreconstructies
Lipiden, de moleculaire bouwstenen van het celmembraan, zijn uniek voor elke microbiële soort. "Het werkt net als vingerafdrukken, ze kunnen worden gebruikt om microbiële resten te identificeren," zegt Laura Villanueva, universitair hoofddocent aan de faculteit Geowetenschappen van de Universiteit Utrecht en senior wetenschapper bij het NIOZ. De lipiden van oude microben zijn te vinden in oude sedimenten. Zodra deze moleculen uit het verleden zijn geïsoleerd, geïdentificeerd en gerelateerd aan nu levende groepen bacteriën, kunnen de lipiden werken als 'biomarkers'. Deze markers kunnen ons iets vertellen over de atmosferische en oceanische omstandigheden van de oude aarde, omdat we van de levende verwanten van de microben weten hoe zij met hun omgeving omgaan.

Wie maakte deze moleculen en hoe?
Lange tijd was het onduidelijk welke bacteriën precies deze specifieke lipiden maakten, genaamd vertakte Glycerol Dialkyl Glycerol Tetraethers (GDGT's). Dit type lipiden wordt al vaak gebruikt bij klimaatreconstructies. Diana en haar collega's hebben eindelijk ontdekt welke bacteriën ze maken. En ook hoe deze bacteriën de lipiden eigenlijk maken. "Het was als zoeken naar een naald in een hooiberg", zegt Sahoreno. "Vanaf het begin wisten we dat we deze vraag moesten beantwoorden met een grootschalige aanpak. We moesten meer dan 1850 eiwitten onderzoeken om microben te identificeren die deze lipidemoleculen maken."

Zodra onderzoekers weten welke momenteel levende bacteriën deze lipidemoleculen maken, kunnen ze worden gebruikt om nauwkeurigere klimaatreconstructies te maken. Onderzoekers kunnen de interacties van deze levende bacteriën met hun omringende zeewater of atmosfeer meten. Deze informatie leidt tot "proxies" - sleutels om details van de lipidemoleculen te correleren met omgevingswaarden. Dit is een belangrijke stap in de reconstructie van milieu- en klimaatomstandigheden in het verleden, op basis van oude sedimentmonsters.

Vroege evolutie van het leven
"Onze studie geeft aan dat er veel soorten momenteel levende bacteriën zijn die dit soort membraanlipiden kunnen maken. Ook vonden we dat al die bacteriën voorkomen in omgevingen waar geen zuurstof is," zegt Sahonero. "Dit onderzoek naar archaea-achtige lipiden van bacteriën laat zien hoe deze groep microben miljarden jaren geleden is geëvolueerd. Het is fantastisch om een glimp op te vangen van dit eerste stuk van de geschiedenis van het leven. Tot nu toe was het vooral een mysterie."

Hoe nu verder?
Het werk van Sahonero en haar collega's gaat nog steeds door. "We weten nu welke bacteriën deze moleculaire bouwstenen vormen en we begrijpen hoe ze dat doen. Vervolgens moeten we uitzoeken hoe de productie van deze moleculen afhangt van omgevingsfactoren als watertemperatuur of zuurgraad," zegt Villanueva. "Dan kan de proxy op basis van deze bacteriële lipiden met meer zekerheid worden gebruikt door (paleo)klimatologen. Daardoor krijgen ze nieuwe mogelijkheden om klimaatverandering gedetailleerder te reconstrueren en te voorspellen."