Mechanismen der Weichgewebe- und Proteinkonservierung bei Tyrannosaurus rex

Die bestehende Vorstellung, dass Weichgewebearchitekturen und native Proteine über die geologische Zeit hinweg erhalten werden können, ist umstritten, da Methoden für eine solche Konservierung noch untersucht und genau definiert werden müssen. In einer neuen Studie testeten Elizabeth M. Boatman und Kollegen der Abteilungen für Ingenieurwissenschaften, Paläontologie, Biowissenschaften, Materialien und Ingenieurwesen sowie der Advanced Light Source in den USA Vernetzungsmechanismen für die konservierte Gewebearchitektur. Sie verwendeten zwei nicht-enzymatische Strukturproteinmechanismen, Fenton-Chemie und Glykation, um ihre möglichen Beiträge zur Erhaltung von Blutgefäßstrukturen zu demonstrieren, die aus dem kortikalen Knochen von Tyrannosaurus rex (T. rex; USNM 555 000, ehemals MOR 555) gewonnen wurden. Sie zeigten die Endogenität (Zufälligkeit) der fossilen Gefäßgewebe und das Vorhandensein von Kollagen Typ I in den äußersten Gefäßschichten mittels Bildgebung, Beugung, Spektroskopie und Immunhistochemie.

Sie leiteten Daten aus Synchrotron-Fourier-Transformations-Infrarot-Studien (SR-FTIR) an der T ab. rex begann, ihren Vernetzungscharakter zu analysieren und verglich sie mit Kontrollhühnerproben, die ähnlich mit den beiden Techniken behandelt wurden. Die Forscher lieferten Röntgenmikrosondenanalysen des chemischen Zustands der fossilen Gewebe, um die Konservierung von T. rex zu unterstützen, wie sie mit den Untersuchungsmethoden beobachtet wurden. In: Boatman et al. schlagen Sie vor, dass die beobachteten gewebestabilisierenden Vernetzungen eine wichtige Rolle spielen werden, um zusätzliches mikrovaskuläres Gewebe in Skelettelementen aus dem Mesozoikum zu erhalten. Die Arbeit wird nun in wissenschaftlichen Berichten veröffentlicht.

Paläontologen haben hohle, biegsame und transparente gefäßartige Strukturen aus Skelettelementen fossiler Wirbeltiere einschließlich Nicht-Vogel-Dinosaurier gewonnen und viele Techniken angewendet, um ihre endogenen Proteine wie Kollagen und Elastin zu identifizieren. Die Forscher hatten Massenspektroskopie-Sequenzierung verwendet, um isolierte Gefäße zu identifizieren, die von Nicht-Vogel-Dinosauriern gewonnen wurden, um das Vorhandensein von Wirbeltier-spezifischen vaskulären Proteinen in der Vergangenheit zu unterstützen. Zum Beispiel dokumentierten sie das typische 67-Nanometer-Banding-Muster, das für Typ-I-Kollagen typisch ist, nachdem sie das Protein durch Demineralisierung freigesetzt hatten, gefolgt von zusätzlichen Studien, um das Vorhandensein von Typ-I-Kollagen in Gefäßkanälen einer Sauropoden-Dinosaurierrippe von vor etwa 190 Millionen Jahren mit FTIR- und Raman-Analyse zu überprüfen. Während Forschungsteams eine Vielzahl von Methoden entwickelt hatten, um unerwartete Mechanismen zu erklären, müssen experimentelle Tests der vorgeschlagenen Mechanismen weiterhin routinemäßig und umfassend durchgeführt werden.

In der vorliegenden Arbeit, Boatman et al. identifizierte und testete den möglichen Beitrag einer Reihe von Experimenten zur Erhaltung der gefäßartigen Architektur des kompakten Knochens eines Tyrannosaurus rex-Fossils. Sie erwarten, dass die Arbeit eine mögliche Grundlage für weitere Studien zur Erhaltung von Weichgeweben aus dem Mesozoikum oder neueren Fossilien schaffen wird. Die Wände von Wirbeltieren Blutgefäß enthalten drei verschiedene Schichten einschließlich der Tunica intima (innerste), Tunica media und Tunica externa (äußerste Schicht). Aufgrund ihrer einzigartigen molekularen Zusammensetzung können Wissenschaftler die Bestandteile morphologisch und chemisch unterscheiden. Zum Beispiel ist Elastin ein für Wirbeltiere spezifisches helikales Protein, das Widerstand gegen Druckänderungen in den Gefäßwänden bietet. Kollagen ist auch wirbeltierspezifisch und stellt eine vorherrschende Fraktion von Blutgefäßen dar, die als strukturelle Grundlage dienen. Da Elastin und Kollagen charakteristische Merkmale enthalten, die an der molekularen Struktur und Zusammensetzung erkennbar sind, Boatman et al. vorgeschlagen, die beiden Proteine in den Überresten der Dinosauriergefäße zu untersuchen.

Das Forschungsteam stellte die Hypothese auf, dass frühe diagenetische (physikalische und chemische) Prozesse zum Überleben von T beitragen. rex Mikrovaskulatur aus der Tiefe. Um dies zu testen, haben Boatman et al. zuerst durchgeführte SR-FTIR-Analyse, um den Vernetzungscharakter in ihrer Kontrollprobe von Hühnerkollagenprotein Typ I zu verstehen. Sie induzierten Vernetzungen im Protein unter Verwendung von Fenton-Reagenz oder ionenkatalysierten Glykationstechniken, gefolgt von der Verwendung von Transmissions-SR-FTIR, um jedes Gewebe zu testen. Sie beobachteten, dass die intramolekularen Vernetzungen, die in den Hühnergeweben gebildet wurden, aufgrund ihrer fehlenden Exposition gegenüber Pfaden, die zur Bildung intermolekularer Vernetzungen oder fortgeschrittener Glykationsendprodukte (AGEs) erforderlich sind, unreif waren.

Um die T. rex-Gefäßarchitektur auf endogene Proteine zu testen, befreiten die Wissenschaftler drei Arten von Gefäßen aus einem demineralisierten T. rex-Kortikalknochen. Sie verwendeten dann sichtbare Lichtmikroskopie (VLM), um sie als zu charakterisieren:

1. Ausgedehnte, braun gefärbte biegsame Netzwerke
2. Fragmentierte opake Strukturen
3. Fragmentierte semi-transluzente Strukturen

Sie koppelten energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) mit Rasterelektronenmikroskopie (REM) sowie mikrofokussierte Röntgenfluoreszenz (µXRF) -Spektroskopie, um die beobachteten Unterschiede in der die Gewebeproben unterschiedlicher Zusammensetzung. Das Team konzentrierte sich auf die biegsamen Gefäßnetzwerke aufgrund ihrer Ähnlichkeit mit vorhandenem Knochengewebe, das vermutlich eine minimale Veränderung beibehielt.

Wenn Boatman et al. sie untersuchten die biegsamen T. rex-Gefäße mit REM und beobachteten faserige Strukturen auf ihrer äußersten Oberfläche. Die kombinierten Merkmale stimmten mit denen überein, die in vorhandenen Gefäßen beobachtet wurden, die aus kortikalem Knochen und mit fibrillärem Kollagen befreit wurden. Das Team analysierte das SR-FTIR-Spektrum von T. rex-Gefäßen, um die dominanten Banden nachzuweisen, die sowohl in behandelten erhaltenen als auch in alten Geweben beobachtet wurden. Bemerkenswerterweise befand sich die Amid-I-Bande für das Dinosauriergewebe an einer vorherrschenden α-Helix-Struktur, die mit reifem (vernetztem) fibrillärem Kollagen übereinstimmt. Das Forschungsteam führte dann immunhistochemische (IHC) Studien durch, um proteinspezifische Epitope der Strukturproteine Elastin und Kollagen Typ I zu identifizieren.

Die Wissenschaftler züchteten Antikörper gegen alle Komponenten des vorhandenen Gefäßsystems, um eine positive Bindung in den Dinosauriergefäßwänden zu beobachten. Mit einem Fluoreszenzfilter erfassten sie die Lokalisation und Verteilung von Antikörper-Antigen-Komplexen (grüne Fluoreszenz). Die Reaktion der Blutgefäße auf Aktin-Antikörper erschien als dünne und gleichmäßig verteilte Schicht. Antikörper gegen das Muskelprotein Tropomyosin traten mit größerer Intensität an den Gefäßwänden auf. Die Dinosauriergefäße zeigten auch das Vorhandensein von Typ-I-Kollagen-Antikörpern an, obwohl Elastin-Antikörper eine größere Intensität zeigten. Die beiden Proteine waren gute Ziele für fossile Studien aufgrund der hohen evolutionären Erhaltung in bestimmten Regionen. Sie beobachteten keine Reaktivität der Blutgefäße gegenüber Antikörpern gegen bakterielles Peptidoglycan (was auf keine mikrobielle Kontamination hinweist).

Boatman et al. getestet T. untersuchen Sie Gefäßstrukturen, um zu verstehen, ob die Vernetzung von Strukturproteinen nach dem Tod ihre Resistenz gegen Abbau oder diagenetische Veränderungen erhöht. Dazu konzentrierten sie sich auf fibrilläres Kollagen unter Verwendung von SR-FTIR-Übertragungsspektren, um eine Post-mortem-Vernetzung während des Prozesses der Erhaltung der Gewebearchitektur vorzuschlagen. Diese spektralen Merkmale wurden zuvor aufgezeichnet, aber nicht mit frühen Jura sauropodomorphs und Kreideknochen diskutiert. Die Wissenschaftler behandelten dann Bulk T. behandeln Sie Gewebe mit Natriumborhydrid (NaBH4), um Carbonylgruppen innerhalb der unreifen Querverbindungen zu verringern und die Nichtpeptidcarbonylabsorptionsintensität zu erhöhen. Die Kohlenhydratabsorptionsbanden im T. rex-Gewebe stimmten mit AGEs (Advanced glycation endproducts) überein. Nach der Behandlung deuteten die Daten darauf hin, dass T. rex-Gewebe sowohl intramolekulare als auch intermolekulare Vernetzungstypen aufwiesen.

Als die Wissenschaftler die Elemente im Gewebe mit µXRF kartierten, zeigten sie Eisen (Fe) als einziges Metall, das in den Dinosauriergefäßgeweben konzentriert war, während sie Barium (Ba) in den halbtransparenten Gefäßabgüssen aufzeichneten. Unter Verwendung der erweiterten Mikroröntgenabsorptionsnahen Strukturmikroskopie beobachteten sie Fe3 +, das in die Gefäßwände eingebettet war. Die Forscher zeigten das Vorhandensein von feinkristallinem Goethit (α-FeO (OH)); Ein Mineral, das zuvor in Gefäßgeweben nachgewiesen wurde, die aus zwei verschiedenen Dinosaurierproben gewonnen wurden.

Auf diese Weise Elizabeth M. Boatman und Kollegen zeigten das Vorhandensein von endogenen Proteinen von Wirbeltieren in Dinosaurierstrukturen von Weichgewebe. Dies beinhaltete das Vorhandensein von Typ-I-Kollagen, das mit dem Gefäßsystem in vorhandenen Wirbeltieren übereinstimmt. Die Daten unterstützten einen zweistufigen Mechanismus, der Biomoleküle und die Gefäßarchitektur nach dem Tod des Organismus stabilisierte, um deren Erhaltung innerhalb der Skelettelemente zu fördern. Das Team stellte die Hypothese auf, dass eisenvermittelte Fenton- und Glykationswege zu einer verbesserten T beigetragen haben könnten. das Gewebe besteht aus Elastin und fibrillärem Kollagen in und um Blutgefäße. Beide Prozesse könnten durch Übergangsmetallspezies wie Eisen katalysiert werden, um die zentrale Rolle von Fe bei der Vernetzung von Strukturproteinen zu definieren. Die Bildung von Eisenoxyhydroxid-Präzipitaten in der Arbeit unterstützte diese Idee voll und ganz.

Die Daten stellen die erste umfassende chemische und molekulare Charakterisierung von Gefäßgeweben dar, die aus der T. rex-Probe USNM 555000 gewonnen wurden. Die Ergebnisse geben Aufschluss über mögliche Prozesse der Versteinerung auf molekularer Ebene. Die Forscher stellen sich vor, dass die demonstrierten Techniken zur Entwicklung umfassender Mechanismen beitragen werden, um das Überleben des Gefäßgewebes aus der Tiefe konstant zu erhalten.