Mekanismer för mjukvävnad och proteinbevarande i Tyrannosaurus rex

den befintliga uppfattningen att mjukvävnadsarkitekturer och nativa proteiner kan bevaras över geologisk tid är kontroversiell eftersom metoder för sådant bevarande återstår att undersökas och väldefinieras. I en ny studie testade Elizabeth M. Boatman och kollegor vid institutionerna för teknik, paleontologi, biologisk vetenskap, material och teknik och den avancerade ljuskällan i USA tvärbindningsmekanismer för bevarad vävnadsarkitektur. De använde två icke-enzymatiska, strukturella proteinmekanismer, Fentonkemi och glykation för att visa sina möjliga bidrag för att bevara blodkärlsstrukturer som återhämtats från det kortikala benet av Tyrannosaurus rex (T. rex; USNM 555 000, tidigare MOR 555). De demonstrerade endogeniteten (slumpmässigheten) hos de fossila kärlvävnaderna och närvaron av typ i-kollagen i de yttersta kärlskikten med hjälp av avbildning, diffraktion, spektroskopi och immunhistokemi.

de härledde data från synkrotron Fourier transform infrared (SR-FTIR) studier på T. rex fartyg att analysera deras tvärbindande karaktär och jämförde dem med kontroll kyckling prover behandlas på samma sätt med de två teknikerna. Forskarna tillhandahöll Röntgenmikroprobeanalyser av de fossila vävnadernas kemiska tillstånd för att stödja behållning av T. rex, som observerats med hjälp av undersökningsmetoderna. Boatman et al. föreslå att de observerade vävnadsstabiliserande tvärbindningarna kommer att spela en viktig roll för att bevara ytterligare mikrovaskulära vävnader i skeletelement från den mesozoiska eran. Arbetet publiceras nu på vetenskapliga rapporter.

paleontologer har återhämtat ihåliga, smidiga och transparenta kärlliknande strukturer från skelettdelar av fossila ryggradsdjur inklusive icke-aviära dinosaurier och tillämpat många tekniker för att identifiera deras endogena proteiner såsom kollagen och elastin. Forskare hade använt masspektroskopisekvensering för att identifiera isolerade kärl som återhämtats från icke-aviära dinosaurier för att stödja närvaron av ryggradsdjursspecifika vaskulära proteiner tidigare. Till exempel dokumenterade de hallmark 67-nanometer-banding mönster typiskt för typ i kollagen efter att ha befriat proteinet via demineralisering, följt av ytterligare studier för att verifiera närvaron av typ i kollagen i vaskulära kanaler av en sauropod dinosaur rib från ungefär 190 miljoner år sedan med användning av FTIR och Raman analys. Medan forskargrupper hade utvecklat en mängd olika metoder för att förklara oväntat bevarande, kvarstår experimentell testning av föreslagna mekanismer rutinmässigt och brett.

i det nuvarande arbetet, Boatman et al. identifierade och testade det möjliga bidraget från en uppsättning experiment för att bevara den kärlliknande arkitekturen i det kompakta benet i en Tyrannosaurus rex-fossil. De förväntar sig att arbetet ska lägga en möjlig grund för ytterligare studier om att bevara mjuka vävnader som återvinns från mesozoiska eller nyare fossiler. Väggarna i ryggradsblodkärlet innehåller tre distinkta lager inklusive tunica intima (innersta), tunica media och tunica externa (yttersta lagret). På grund av deras unika molekylära kompositioner kan forskare differentiera beståndsdelarna morfologiskt och kemiskt. Elastin är till exempel ett spiralformigt protein som är specifikt för ryggradsdjur som ger motstånd mot tryckförändringar i kärlväggarna. Kollagen är också vertebratspecifikt och utgör en dominerande fraktion av blodkärl för att fungera som deras strukturella grund. Eftersom elastin och kollagen innehåller kännetecken som kan identifieras vid molekylstrukturen och kompositionen, Boatman et al. föreslog att studera de två proteinerna i de kvarvarande dinosauriefartygen.

forskargruppen antog bidraget från tidiga diagenetiska (fysikaliska och kemiska) processer till överlevnaden av T. rex mikrovaskulatur från deep-time. För att testa detta, Boatman et al. först genomfördes SR-FTIR-analys för att förstå tvärbindkaraktär i deras kontrollprov av kyckling typ i-kollagenprotein. De inducerade tvärbindningar i proteinet med hjälp av Fentonreagens eller jonkatalyserade glykationstekniker följt av användningen av transmission SR-FTIR för att testa varje vävnad. De observerade att de intramolekylära tvärbindningarna som bildades i kycklingvävnaderna var omogna på grund av deras brist på exponering för vägar som var nödvändiga för att bilda intermolekylära tvärbindningar eller avancerade glykationslutprodukter (åldrar).

för att testa T. rex-kärlarkitekturen för endogena proteiner befriade forskarna tre typer av kärl från ett demineraliserat T. rex-kortikalt ben. De använde sedan synlig ljusmikroskopi (VLM) för att karakterisera dem som:

1. omfattande, brunfärgade böjliga nätverk
2. fragmenterade ogenomskinliga strukturer
3. fragmenterade halvtransparenta strukturer

de kopplade energidispersiv röntgenspektroskopi (EDS) med scanningelektronmikroskopi (SEM) såväl som mikrofokuserad Röntgenfluorescens (jacobxrf) spektroskopi för att bekräfta de observerade skillnaderna i vävnadsprover av varierande sammansättning. Teamet fokuserade på de smidiga kärlnäten på grund av deras likhet med befintlig benvävnad, som förmodligen upprätthöll minimal förändring.

när Boatman et al. studerade de smidiga T. rex-kärlen med SEM, de observerade fibrösa strukturer över sin yttersta yta. De kombinerade egenskaperna överensstämde med de som observerades i existerande kärl befriade från kortikalt ben och med fibrillärt kollagen. Teamet analyserade SR-FTIR-spektrumet av T. rex-fartyg för att upptäcka de dominerande banden som observerats i både behandlade bevarade och gamla vävnader. I synnerhet var amid i-bandet för dinosaurvävnaden belägen vid en dominerande struktur av en spiralformad struktur som överensstämde med moget (tvärbundet) fibrillärt kollagen. Forskargruppen genomförde sedan immunohistokemi (IHC) studier för att identifiera proteinspecifika epitoper av strukturproteinerna elastin och typ i kollagen.

forskarna höjde antikroppar mot alla komponenter i den existerande kärl för att observera positiv bindning i dinosaurkärlets väggar. Med hjälp av ett fluorescerande filter fångade de lokalisering och distribution av antikropp-antigenkomplex (grön fluorescens). Dinosaurkärlens svar på aktinantikroppar uppträdde som ett tunt och jämnt fördelat skikt. Antikroppar upphöjda mot muskelproteinet tropomyosin uppträdde med större intensitet på kärlväggarna. Dinosaurkärlen indikerade också närvaron av kollagenantikroppar av typ i, även om elastinantikroppar visade större intensitet. De två proteinerna var bra mål för fossila studier på grund av hög evolutionär bevarande i vissa regioner. De observerade inte reaktivitet hos dinosauriekärl mot antikroppar mot bakteriell peptidoglykan (vilket indikerar ingen mikrobiell kontaminering).

Boatman et al. testade T. rex-kärlstrukturer för att förstå om strukturellt protein tvärbindning efter slakt förbättrade deras motståndskraft mot nedbrytning eller diagenetiska förändringar. För detta fokuserade de på fibrillärt kollagen med SR-FTIR-transmissionsspektra för att föreslå tvärbindning efter mortem under processen för bevarande av vävnadsarkitektur. Dessa spektrala egenskaper registrerades tidigare men diskuterades inte med tidiga Jurassic sauropodomorphs och cretaceous ben. Forskarna behandlade sedan bulk T. rex-vävnad med natriumborhydrid (NaBH4) för att minska karbonylgrupper inom omogna tvärbindningar och öka icke-peptidkarbonylabsorptionsintensiteten. Kolhydratabsorptionsbanden i T. rex-vävnaden överensstämde med åldrar (avancerade glykationslutprodukter). Efter behandling föreslog data att T. rex-vävnader hade både intramolekylära och intermolekylära tvärbindningstyper.

när forskarna kartlade elementen i vävnaden med hjälp av jacobxrf avslöjade de järn (Fe) som den enda metallen som koncentrerades i dinosaurkärlets vävnader medan de registrerade barium (Ba) i de halvtransparenta kärlgjutningarna. Med hjälp av utökad mikroröntgenabsorption nära kantstrukturmikroskopi observerade de Fe3 + inbäddad i kärlväggarna. Forskarna visade närvaron av finkristallin goethite (Bisexuell-FeO(OH)); ett mineral som tidigare detekterats i kärlvävnader återhämtat sig från två olika dinosaurieprover.

på detta sätt Elizabeth M. Båtman och kollegor demonstrerade närvaron av endogena proteiner från ryggradsdjur inom dinosauriestrukturer i mjukvävnad. Detta inkluderade närvaron av kollagen av typ i som överensstämmer med vaskulaturen hos existerande ryggradsdjur. Uppgifterna stödde en tvåstegsmekanism som stabiliserade biomolekyler och kärlarkitektur efter organismens död för att främja deras bevarande inom skeletelement. Teamet antog att järnmedierade Fenton-och glykationsvägar kan ha bidragit till förbättrad T. rex vävnad livslängd elastin och fibrillär kollagen i och runt blodkärlen. Båda processerna kunde katalyseras genom övergångsmetallarter såsom järn för att definiera den centrala rollen för Fe som observerats i strukturell protein tvärbindning. Bildandet av järnoxihydroxid fälls ut i arbetet stödde fullt ut denna ide.

data representerar den första omfattande kemiska och molekylära karakteriseringen av vaskulära vävnader återvunna från T. rex prov USNM 555000. Resultaten belyser de möjliga processerna för fossilisering på molekylär nivå. Forskarna föreställer sig att de demonstrerade teknikerna kommer att bidra till utvecklingen av omfattande mekanismer för att konsekvent behålla vaskulär vävnadsöverlevnad från djup tid.