Un spécimen fossile de T. rex (AMNH 5027) exposé au Musée américain d'histoire naturelle, en 2019. Crédit :Muséum national d'histoire naturelle, La ville de New York. amnh.org/exhibitions/permanent/saurischian-dinosaurs/tyrannosaurus-rex.
La notion existante selon laquelle les architectures des tissus mous et les protéines natives peuvent être préservées à travers le temps géologique est controversée car les méthodes d'une telle préservation restent à étudier et à bien définir. Dans une nouvelle étude, Elizabeth M. Boatman et ses collègues des départements d'ingénierie, Paléontologie, Biologie, Matériaux et ingénierie et source lumineuse avancée aux États-Unis, testé des mécanismes de réticulation pour une architecture tissulaire préservée. Ils ont utilisé deux non enzymatiques, mécanismes structurels des protéines, Chimie de Fenton et glycation pour démontrer leurs contributions possibles à la préservation des structures vasculaires récupérées de l'os cortical de Tyrannosaure rex ( T. rex ; USNM 555 000, anciennement MOR 555). Ils ont démontré l'endogénéité (aléatoire) des tissus vasculaires fossiles et la présence de collagène de type I dans les couches les plus externes des vaisseaux en utilisant l'imagerie, diffraction, spectroscopie et immunohistochimie.
Ils ont dérivé des données d'études infrarouges à transformée de Fourier synchrotron (SR-FTIR) sur le T. rex pour analyser leur caractère de réticulation et les comparer avec des échantillons de poulet témoins traités de manière similaire avec les deux techniques. Les chercheurs ont fourni des analyses par microsonde à rayons X de l'état chimique des tissus fossiles pour soutenir la préservation des vaisseaux de T. rex , comme observé à l'aide des méthodes d'enquête. Boatman et al. proposent que les réticulations de stabilisation tissulaire observées joueront un rôle important pour préserver des tissus microvasculaires supplémentaires dans les éléments squelettiques de l'ère mésozoïque. L'ouvrage est désormais publié sur Rapports scientifiques .
Les paléontologues ont récupéré des creux, structures flexibles et transparentes ressemblant à des vaisseaux à partir d'éléments squelettiques de vertébrés fossiles, y compris des dinosaures non aviaires, et a appliqué de nombreuses techniques pour identifier leurs protéines endogènes telles que le collagène et l'élastine. Les chercheurs avaient utilisé le séquençage par spectroscopie de masse pour identifier des vaisseaux isolés récupérés de dinosaures non aviaires afin de confirmer la présence de protéines vasculaires spécifiques aux vertébrés dans le passé. Par exemple, ils ont documenté le motif de bandes de 67 nanomètres caractéristique du collagène de type I après avoir libéré la protéine par déminéralisation, suivi d'études supplémentaires pour vérifier la présence de collagène de type I dans les canaux vasculaires d'une côte de dinosaure sauropode il y a environ 190 millions d'années à l'aide d'analyses FTIR et Raman. Alors que les équipes de recherche avaient développé une variété de méthodes pour expliquer la conservation inattendue, les tests expérimentaux des mécanismes proposés restent à mener de manière routinière et générale.
Dans le travail present, Boatman et al. identifié et testé la contribution possible d'un ensemble d'expériences pour préserver l'architecture en forme de vaisseau de l'os compact d'un Tyrannosaure rex fossile. Ils s'attendent à ce que le travail jette une base possible pour des études supplémentaires sur la préservation des tissus mous récupérés du Mésozoïque ou des fossiles plus récents. Les parois des vaisseaux sanguins des vertébrés contiennent trois couches distinctes, dont la tunique intima (la plus interne), tunica media et tunica externa (couche la plus externe). En raison de leurs compositions moléculaires uniques, les scientifiques peuvent différencier les constituants morphologiquement et chimiquement. Par exemple, l'élastine est une protéine hélicoïdale spécifique aux vertébrés qui offre une résistance aux changements de pression dans les parois vasculaires. Le collagène est également spécifique aux vertébrés et constitue une fraction prédominante des vaisseaux sanguins pour servir de base structurelle. Étant donné que l'élastine et le collagène contiennent des caractéristiques distinctives identifiables au niveau de la structure et de la composition moléculaires, Boatman et al. a proposé d'étudier les deux protéines dans les vaisseaux restants des dinosaures.
GAUCHE :analyse SR-FTIR. Localisation de la sous-bande amide I du collagène de type I de poulet non traité et traité dans les spectres SR-FTIR. Sous-bandes (feuille β, ~1633 cm−1; triple hélice, ~1658–1660 cm−1 ; intermoléculaire, ~1683–1690 cm−1) sont indiqués dans les figures. Les traces rouges indiquent les dérivées secondes des courbes expérimentales. Bien que la sous-bande intermoléculaire se présente généralement à un nombre d'onde inférieur, la valeur identifiée était le minimum local le plus proche dans chacun des tracés de dérivée seconde et apparaît systématiquement dans tous les échantillons ; donc, dans cet échantillon, la sous-bande intermoléculaire a été indexée à 1697-1699 cm-1. DROITE :images SEM de l'os cortical USNM 555000. (a) Surface de fracture présentant des caractéristiques claires d'ostéons (o) principalement en coupe longitudinale, lacunes d'ostéocyte (ol; dans les cercles blancs en pointillés), et une texture fine compatible avec les fibres de collagène minéralisées dans l'os. Image rétrodiffusée (ESB). (b), Coupe transversale polie (grain 1200) (image BSE) montrant des caractéristiques claires d'ostéons et de lacunes ostéocytaires. Les ostéons remplis de minéraux (flèches blanches) produisent des structures vasculaires très altérées, qui ont été facilement éliminés de SAXS, FTIR, et analyse MET par une préparation soignée (sédimentation, la lessive, sélection au microscope). Les fissures sont dues aux changements d'humidité/de pression et sont un artefact de la préparation. (c), Coupe transversale polie (grain 1200) (image électronique secondaire [SE]) montrant des caractéristiques claires des ostéons et des lacunes des ostéocytes. (ré), Image SE fortement agrandie d'un ostéon, montrant une texture fibreuse sur les bords (flèche blanche), ce qui a été couramment observé dans les ostéons non remplis de minéraux dans ce spécimen. Cette mince, le revêtement fibreux à l'intérieur de la structure d'ostéon est proposé pour être le creux, structures de vaisseaux souples. Crédit: Rapports scientifiques , doi:10.1038/s41598-019-51680-1
L'équipe de recherche a émis l'hypothèse de la contribution des processus diagénétiques précoces (physiques et chimiques) à la survie des T. rex microvasculaire depuis les temps profonds. Pour tester cela, Boatman et al. ont d'abord effectué une analyse SR-FTIR pour comprendre le caractère de réticulation dans leur échantillon témoin de protéine de collagène de type I de poulet. Ils ont induit des réticulations dans la protéine à l'aide de réactifs de Fenton ou de techniques de glycation catalysée par des ions, suivis de l'utilisation de la transmission SR-FTIR pour tester chaque tissu. Ils ont observé que les réticulations intramoléculaires formées dans les tissus de poulet étaient immatures en raison de leur manque d'exposition aux voies nécessaires pour former des réticulations intermoléculaires ou des produits finaux de glycation avancée (AGE).
Pour tester le T. rex architecture des vaisseaux pour les protéines endogènes, les scientifiques ont libéré trois types de navires d'un T. rex OS cortical. Ils ont ensuite utilisé la microscopie à lumière visible (VLM) pour les caractériser comme :
Ils ont couplé la spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDS) avec la microscopie électronique à balayage (MEB) ainsi que la spectroscopie de fluorescence X micro-focalisée (µXRF) pour confirmer les différences observées dans les échantillons de tissus de composition variable. L'équipe s'est concentrée sur les réseaux de vaisseaux flexibles en raison de leur similarité avec le tissu osseux existant, qui a vraisemblablement maintenu une altération minimale.
GAUCHE :Images microscopiques du tissu vasculaire de T. rex et analyse associée des bandes de collagène fibrillaire. (a) Le VLM transmis des tissus mous de T. rex montre un vaste réseau de creux, souple, structure vasculaire et teinte brune typique. (b) Image SEM de la surface d'un vaisseau. (c) Image agrandie de (b) détails des caractéristiques compatibles avec les faisceaux de fibres de collagène (fibrille de collagène, "F"; fibre de collagène, « CF »). La largeur moyenne des fibrilles a été mesurée à 110 nm, et la largeur moyenne des fibres, 1,0 m. (d) Image MET de caractéristiques fibreuses observées dans une section transversale de vaisseau longitudinal. Profils d'intensité de la texture rubanée dans (e) cases 1 et 2 dans c et (f) cases 3, 4, 5 in (d) avec des exemples de distances crête à crête (moyenne SEM, ~74 nm ; TEM, ~56 nm) s'écria en rouge. A DROITE :Images et analyse chimique de l'organique, vaisseaux de Tyrannosaurus rex de couleur brune et moulages minéralisés du système de vaisseaux libérés lors de la déminéralisation des tissus. (une), Image de microscopie optique de fragments de vaisseaux typiques libérés de T. rex. (b), Image agrandie du rectangle blanc dans un, représentant de couleur brune, souple, fragments de vaisseaux organiques (ov) et deux types de moulages minéralisés :formes opaques et formes semi-translucides. (c), Image SEM de fragments de vaisseaux similaires. (ré), Image agrandie du rectangle blanc en c, avec trois types de fragments de vaisseaux identifiés et des emplacements d'analyse EDS dans e explicitement identifiés. (e), L'analyse EDS a identifié les coulées opaques des vaisseaux comme une forme d'oxyde de fer (en bas, rouge) et le récipient semi-translucide se transforme en BaSO4 (en haut, bleu). Crédit: Rapports scientifiques , doi:10.1038/s41598-019-51680-1
Lorsque Boatman et al. étudié le pliable T. rex navires utilisant le SEM, ils ont observé des structures fibreuses sur leur surface la plus externe. Les caractéristiques combinées étaient cohérentes avec celles observées dans les vaisseaux existants libérés de l'os cortical et avec le collagène fibrillaire. L'équipe a analysé le spectre SR-FTIR de T. rex vaisseaux pour détecter les bandes dominantes observées dans les tissus existants et anciens traités. Notamment, la bande amide I pour le tissu de dinosaure était située à une structure prédominante d'hélice compatible avec le collagène fibrillaire mature (réticulé). L'équipe de recherche a ensuite mené des études d'immunohistochimie (IHC) pour identifier des épitopes spécifiques aux protéines des protéines structurelles élastine et collagène de type I.
Les scientifiques ont produit des anticorps contre tous les composants du système vasculaire existant pour observer une liaison positive dans les parois des vaisseaux des dinosaures. A l'aide d'un filtre fluorescent, ils ont capturé la localisation et la distribution des complexes anticorps-antigène (fluorescence verte). La réponse des vaisseaux des dinosaures aux anticorps contre l'actine est apparue sous la forme d'une couche mince et uniformément répartie. Les anticorps dirigés contre la protéine musculaire tropomyosine sont apparus avec une plus grande intensité sur les parois des vaisseaux. Les vaisseaux de dinosaures ont également indiqué la présence d'anticorps de collagène de type I, bien que les anticorps contre l'élastine aient montré une plus grande intensité. Les deux protéines étaient de bonnes cibles pour les études sur les fossiles en raison de la conservation évolutive élevée dans certaines régions. Ils n'ont pas observé de réactivité des vaisseaux de dinosaures aux anticorps dirigés contre le peptidoglycane bactérien (ce qui n'indique aucune contamination microbienne).
Les tissus de T. rex présentent une liaison positive d'anticorps aux composants protéiques du tissu vasculaire existant. (une, c, e, g, je, k, m, o) Sont des images composites dans lesquelles la fluorescence correspondant aux complexes anticorps-antigène est superposée sur des images VLM de sections de vaisseaux, avec des images adjacentes (b, ré, F, h, j, moi, m, p) capturé à l'aide d'un filtre fluorescent. (a–d) Aucune liaison parasite n'a été observée pour les contrôles négatifs dans lesquels les vaisseaux ont été exposés à des anticorps secondaires dirigés contre l'espèce hôte de tous les autres anticorps utilisés, c'est à dire., souris (une, b) et le lapin (c, ré). (e, f) La liaison positive des vaisseaux de dinosaures aux anticorps d'actine peut être observée en mince, couches uniformément réparties, et (g, h) une liaison plus largement distribuée est apparente pour les anticorps de la tropomyosine musculaire. Anticorps contre les deux (i, j) collagène de type I et (k, l) l'élastine se lie positivement à ces vaisseaux de T. rex. (moi, n) Les anticorps dirigés contre l'hémoglobine d'autruche présentent une intensité de liaison comparativement plus faible. (O, p) Aucune réactivité des vaisseaux de dinosaures aux anticorps dirigés contre le peptidoglycane bactérien n'a été observée (indiquant l'absence de contamination). Crédit: Rapports scientifiques , doi:10.1038/s41598-019-51680-1
Boatman et al. testé T. rex structures des vaisseaux pour comprendre si la réticulation post-mortem des protéines structurelles a amélioré leur résistance à la dégradation ou aux altérations diagénétiques. Pour ça, ils se sont concentrés sur le collagène fibrillaire en utilisant des spectres de transmission SR-FTIR pour suggérer une réticulation post-mortem au cours du processus de préservation de l'architecture tissulaire. Ces caractéristiques spectrales ont été précédemment enregistrées mais n'ont pas été discutées avec les sauropodomorphes du Jurassique ancien et les os du Crétacé. Les scientifiques ont ensuite traité en vrac T. rex tissu avec du borohydrure de sodium (NaBH
Lorsque les scientifiques ont cartographié les éléments du tissu à l'aide de µXRF, ils ont révélé que le fer (Fe) était le seul métal concentré dans les tissus des vaisseaux des dinosaures tout en enregistrant le baryum (Ba) dans les moulages des vaisseaux semi-translucides. En utilisant la microscopie étendue de la structure proche des bords à absorption de rayons X, ils ont observé Fe 3+ noyés dans les parois des vaisseaux. Les chercheurs ont montré la présence de goethite finement cristalline (α-FeO(OH)); un minéral précédemment détecté dans les tissus vasculaires récupérés de deux spécimens divers de dinosaures.
EN HAUT :analyse SR-FTIR du tissu vasculaire de T. rex, NaBH4 a réduit le tissu vasculaire de T. rex, collagène de poulet de type I sans traitement, et du collagène de type I de poulet traité avec un réactif de Fenton et une glycation catalysée par le fer. (une, b) Spectres FTIR moyens dans les régions carbonyle non peptidique et protéine amide I pour les cinq échantillons. (a) Une réduction significative de la bande carbonyle non peptidique suit le traitement du tissu vasculaire de T. rex avec NaBH4, qui réduit les réticulations peptidiques (immatures). La bande Amide I décalée vers le bleu du tissu de dinosaure, Collagène de poulet de type I traité au réactif de Fenton, et le collagène de type I de poulet traité par glycation catalysée par Fe indiquent une structure d'hélice croissante (~1660 cm−1) alors que la triple hélice et les sous-bandes intermoléculaires à plus haute énergie prédominent de plus en plus les spectres. Le développement du carbonyle aldéhydique, cétoaldéhyde, et/ou des bandes de cétoimine immatures dans les deux tissus de poulet traités est compatible avec la forte bande carbonyle dans le tissu de dinosaure. EN BAS :La cartographie par micro-fluorescence aux rayons X (u-XRF) des tissus organiques et minéralisés des vaisseaux de Tyrannosaurus rex révèle la présence de plusieurs métaux. S, Fe, et Ba étaient les principaux éléments identifiés dans les échantillons de récipients. Cartes composites de deux (a, b montrent Ba et Fe) et trois (c, d montrer S, Ba, et Fe) les espèces atomiques montrent que Fe est principalement associé aux tissus organiques des vaisseaux, tandis que S et Ba sont principalement associés aux coulées de vaisseaux minéralisés semi-translucides. Crédit: Rapports scientifiques , doi:10.1038/s41598-019-51680-1
De cette façon, Elizabeth M. Boatman et ses collègues ont démontré la présence de protéines endogènes d'espèces de vertébrés dans les structures de dinosaures des tissus mous. Cela comprenait la présence de collagène de type I compatible avec le système vasculaire chez les vertébrés existants. Les données soutiennent un mécanisme en deux étapes qui stabilise les biomolécules et l'architecture des vaisseaux après la mort de l'organisme, favoriser leur préservation au sein des éléments squelettiques. L'équipe a émis l'hypothèse que les voies de Fenton et de glycation médiées par le fer pourraient avoir contribué à l'amélioration T. rex tissue longevity of elastin and fibrillar collagen within and around blood vessels. Both processes could be catalyzed by transition metal species such as iron to define the central role of Fe observed in structural protein crosslinking. The formation of iron oxyhydroxide precipitates in the work fully supported this idea.
The data represent the first comprehensive chemical and molecular characterization of vascular tissues recovered from T. rex specimen USNM 555000. The results shed light on the possible processes of fossilization at the molecular level. The researchers envision the demonstrated techniques will contribute to the development of comprehensive mechanisms to consistently retain vascular tissue survival from deep time.
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