Meccanismi di tessuto molle della proteina e la conservazione di Tyrannosaurus rex

La nozione esistente che le architetture dei tessuti molli e le proteine native possono essere preservate attraverso il tempo geologico è controversa poiché i metodi di tale conservazione devono essere studiati e ben definiti. In un nuovo studio, Elizabeth M. Boatman e colleghi dei dipartimenti di Ingegneria, paleontologia, Scienze biologiche, materiali e ingegneria e la sorgente luminosa avanzata negli Stati Uniti, hanno testato meccanismi di reticolazione per l’architettura dei tessuti conservati. Hanno usato due meccanismi proteici non enzimatici, la chimica del fentone e la glicazione per dimostrare i loro possibili contributi per preservare le strutture dei vasi sanguigni recuperate dall’osso corticale di Tyrannosaurus rex (T. rex; USNM 555 000, precedentemente MOR 555). Hanno dimostrato l’endogeneità (casualità) dei tessuti dei vasi fossili e la presenza di collagene di tipo I negli strati dei vasi più esterni utilizzando imaging, diffrazione, spettroscopia e immunoistochimica.

Hanno derivato dati da sincrotrone Fourier transform infrared (SR-FTIR) studi sul T. rex per analizzare il loro carattere reticolazione e li ha confrontati con campioni di pollo di controllo trattati in modo simile con le due tecniche. I ricercatori hanno fornito analisi a microsonda a raggi X dello stato chimico dei tessuti fossili per supportare la conservazione dei vasi del T. rex, come osservato utilizzando i metodi di indagine. Barcaiolo et al. proporre che i legami incrociati stabilizzanti del tessuto osservati giochino un ruolo importante per preservare i tessuti microvascolari aggiuntivi negli elementi scheletrici dell’era mesozoica. Il lavoro è ora pubblicato su Scientific Reports.

I paleontologi hanno recuperato strutture cave, flessibili e trasparenti simili a vasi da elementi scheletrici di vertebrati fossili, inclusi i dinosauri non aviari e hanno applicato molte tecniche per identificare le loro proteine endogene come il collagene e l’elastina. I ricercatori avevano utilizzato il sequenziamento della spettroscopia di massa per identificare vasi isolati recuperati da dinosauri non aviari per supportare la presenza di proteine vascolari specifiche dei vertebrati in passato. Ad esempio, hanno documentato il caratteristico pattern a 67 nanometri tipico del collagene di tipo I dopo aver liberato la proteina tramite demineralizzazione, seguito da ulteriori studi per verificare la presenza di collagene di tipo I nei canali vascolari di una costola di dinosauro sauropode di circa 190 milioni di anni fa utilizzando l’analisi FTIR e Raman. Mentre i gruppi di ricerca avevano sviluppato una varietà di metodi per spiegare la conservazione inaspettata, i test sperimentali dei meccanismi proposti devono essere condotti regolarmente e in generale.

Nel presente lavoro, Boatman et al. identificato e testato il possibile contributo di una serie di esperimenti per preservare l’architettura nave-like dell’osso compatto di un fossile Tyrannosaurus rex. Si aspettano che il lavoro ponga una possibile base per ulteriori studi sulla conservazione dei tessuti molli recuperati dai fossili mesozoici o più recenti. Le pareti del vaso sanguigno vertebrato contengono tre strati distinti tra cui la tunica intima (più interna), tunica media e tunica esterna (strato più esterno). Grazie alle loro composizioni molecolari uniche, gli scienziati possono differenziare i costituenti morfologicamente e chimicamente. Ad esempio, l’elastina è una proteina elicoidale specifica per i vertebrati che offre resistenza ai cambiamenti di pressione nelle pareti vascolari. Il collagene è anche specifico per i vertebrati e costituisce una frazione predominante dei vasi sanguigni per fungere da fondamento strutturale. Poiché l’elastina e il collagene contengono caratteristiche distintive identificabili nella struttura molecolare e nella composizione, Boatman et al. proposto di studiare le due proteine all’interno dei vasi dinosauro residuo.

Il team di ricerca ha ipotizzato il contributo dei primi processi diagenetici (fisici e chimici) alla sopravvivenza di T. rex microvasculature da deep-time. Per testare questo, Boatman et al. in primo luogo ha condotto l’analisi di SR-FTIR per capire il carattere del reticolato nel loro campione di controllo della proteina del collagene del tipo I del pollo. Hanno indotto collegamenti incrociati nella proteina usando reagente Fenton o tecniche di glicazione catalizzate da ioni seguite dall’uso della trasmissione SR-FTIR per testare ciascun tessuto. Hanno osservato che i collegamenti incrociati intramolecolari formati nei tessuti di pollo sono immaturi a causa della loro mancanza di esposizione a percorsi necessari per formare collegamenti incrociati intermolecolari o prodotti finali di glicazione avanzata (ETÀ).

Per testare l’architettura dei vasi T. rex per le proteine endogene, gli scienziati hanno liberato tre tipi di vasi da un osso corticale demineralizzato T. rex. Hanno quindi utilizzato la microscopia a luce visibile (VLM) per caratterizzarli come:

1. Ampia, marrone color flessibile reti
2. Frammentato strutture opache
3. Frammentato semi-trasparente strutture

L’accoppiata energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) con microscopia elettronica a scansione (SEM) nonché di micro-concentrato di fluorescenza a raggi X (µXRF) spettroscopia di confermare le differenze osservate in campioni di tessuti di varia composizione. Il team si è concentrato sulle reti di vasi flessibili a causa della loro somiglianza con il tessuto osseo esistente, che presumibilmente ha mantenuto un’alterazione minima.

Quando Boatman et al. studiato i vasi flessibili T. rex utilizzando SEM, hanno osservato strutture fibrose attraverso la loro superficie più esterna. Le caratteristiche combinate erano coerenti con quelle osservate nei vasi esistenti liberati dall’osso corticale e con il collagene fibrillare. Il team ha analizzato lo spettro SR-FTIR dei vasi T. rex per rilevare le bande dominanti osservate nei tessuti esistenti e antichi trattati. In particolare, la banda ammide I per il tessuto dinosauro era situata in una struttura α-elica predominante coerente con collagene fibrillare maturo (reticolato). Il gruppo di ricerca ha quindi condotto studi di immunoistochimica (IHC) per identificare epitopi specifici per le proteine strutturali elastina e collagene di tipo I.

Gli scienziati hanno sollevato anticorpi contro tutti i componenti del sistema vascolare esistente per osservare un legame positivo nelle pareti dei vasi dei dinosauri. Utilizzando un filtro fluorescente, hanno catturato la localizzazione e la distribuzione dei complessi anticorpo-antigene (fluorescenza verde). La risposta dei vasi di dinosauro agli anticorpi di actina appariva come uno strato sottile e uniformemente distribuito. Gli anticorpi sollevati contro la proteina muscolare tropomiosina apparivano con maggiore intensità sulle pareti dei vasi. I vasi di dinosauro indicavano anche la presenza di anticorpi di collagene di tipo I, sebbene gli anticorpi di elastina mostrassero una maggiore intensità. Le due proteine erano buoni obiettivi per gli studi sui fossili a causa dell’elevata conservazione evolutiva in alcune regioni. Non hanno osservato la reattività dei vasi di dinosauro agli anticorpi contro il peptidoglicano batterico (che non indica alcuna contaminazione microbica).

Barcaiolo et al. testato T. rex strutture dei vasi per capire se post-mortem proteina strutturale reticolazione migliorato la loro resistenza alla degradazione o alterazioni diagenetiche. Per questo, si sono concentrati sul collagene fibrillare utilizzando spettri di trasmissione SR-FTIR per suggerire la reticolazione post-mortem durante il processo di conservazione dell’architettura tissutale. Queste caratteristiche spettrali sono state precedentemente registrate ma non discusse con i primi sauropodomorfi giurassici e le ossa del cretaceo. Gli scienziati hanno poi trattato bulk T. tessuto rex con boroidruro di sodio (NaBH4) per ridurre i gruppi carbonilici all’interno di legami incrociati immaturi e aumentare l’intensità di assorbimento carbonilico non peptidico. Le bande di assorbimento dei carboidrati nel tessuto T. rex erano coerenti con l’età (prodotti finali di glicazione avanzata). Dopo il trattamento, i dati hanno suggerito che i tessuti di T. rex possedessero entrambi i tipi di crosslink intramolecolari e intermolecolari.

Quando gli scienziati hanno mappato gli elementi nel tessuto usando µXRF, hanno rivelato il ferro (Fe) come l’unico metallo concentrato all’interno dei tessuti dei vasi dei dinosauri mentre registravano il bario (Ba) all’interno dei getti dei vasi semi-traslucidi. Usando la microscopia estesa della struttura vicino al bordo di assorbimento dei micro raggi X, hanno osservato Fe3 + incastonato nelle pareti del vaso. I ricercatori hanno mostrato la presenza di goethite finemente cristallina (α-FeO (OH)); un minerale precedentemente rilevato nei tessuti vascolari recuperati da due diversi esemplari di dinosauro.

In questo modo, Elizabeth M. Boatman e colleghi hanno dimostrato la presenza di proteine endogene di specie vertebrate all’interno delle strutture dei dinosauri dei tessuti molli. Ciò includeva la presenza di collagene di tipo I coerente con la vascolarizzazione nei vertebrati esistenti. I dati hanno supportato un meccanismo in due fasi che ha stabilizzato le biomolecole e l’architettura dei vasi dopo la morte dell’organismo, per promuovere la loro conservazione all’interno degli elementi scheletrici. Il team ha ipotizzato che i percorsi di Fenton e glicazione mediati dal ferro possano aver contribuito a migliorare la T. rex longevità del tessuto di elastina e collagene fibrillare all’interno e intorno ai vasi sanguigni. Entrambi i processi potrebbero essere catalizzati da specie di metalli di transizione come il ferro per definire il ruolo centrale del Fe osservato nella reticolazione delle proteine strutturali. La formazione di ossidrossido di ferro precipita nel lavoro ha pienamente supportato questa idea.

I dati rappresentano la prima caratterizzazione chimica e molecolare completa dei tessuti vascolari recuperati dal campione USNM 555000 del T. rex. I risultati fanno luce sui possibili processi di fossilizzazione a livello molecolare. I ricercatori prevedono che le tecniche dimostrate contribuiranno allo sviluppo di meccanismi completi per mantenere costantemente la sopravvivenza dei tessuti vascolari dal tempo profondo.