Les scientifiques savent que l'oxygène atmosphérique s'est accumulé de manière irréversible sur Terre il y a environ 2,3 milliards d'années, à une époque connue sous le nom de grand événement d'oxydation, ou GOE. Avant cette époque, toute vie était microbienne, et plus, sinon tout, les environnements étaient anoxiques (c'est-à-dire ne contenait pas d'oxygène). L'oxygène a été produit pour la première fois avant le GOE grâce à l'évolution d'un groupe de bactéries photosynthétiques connues sous le nom de cyanobactéries. Libérer de l'oxygène en tant que sous-produit de la division de l'eau afin d'acquérir des électrons qui seront énergisés par la lumière, ce processus a conduit à des changements spectaculaires dans les processus biologiques et géochimiques à l'échelle planétaire. Finalement, l'accumulation continue d'oxygène a conduit à une surface oxydée, atmosphère, et l'océan qui persistent à ce jour.

En plus de mettre en lumière un changement fondamental du climat de la Terre, on espère que la compréhension du GOE aidera les scientifiques à mieux comprendre l'essor des eucaryotes - des organismes cellulaires comme nous, les humains, dans lequel le matériel génétique est de l'ADN sous la forme de chromosomes contenus dans un noyau distinct. Les eucaryotes ont besoin d'oxygène pour produire des stérols, une partie importante de leurs membranes cellulaires. Par ailleurs, les eucaryotes contiennent également des mitochondries, organites descendant d'anciennes bactéries qui utilisent l'oxygène pour générer de l'énergie en utilisant la respiration aérobie.

Il existe actuellement deux écoles de pensée concernant la façon dont les niveaux d'oxygène ont augmenté :la première propose une petite augmentation initiale au moment du GOE, avec des niveaux faibles mais stables jusqu'à augmenter à nouveau il y a environ 600 millions d'années, approche des niveaux modernes. Le second postule une hausse plus oscillante avec une augmentation plus importante immédiatement après le GOE, puis un crash ultérieur, avec des niveaux qui n'ont augmenté qu'il y a 600 millions d'années.

Alors que les géologues ont pu établir des dates de plus en plus précises pour le début du GOE grâce à des analyses géochimiques, la capacité de détecter des variations transitoires des niveaux d'oxygène à la suite du GOE est moins facilement détectée dans l'enregistrement des roches. Cependant, au cours des deux dernières décennies, il serait juste de dire, la science a vécu un « grand événement génomique » à travers lequel les biologistes, armé de la capacité de séquencer les gènes de plus en plus rapidement, se retrouvent maintenant à travailler dur pour séquencer tout ce sur quoi ils peuvent mettre la main. Et il s'avère que la génomique peut détenir la réponse à la façon dont l'oxygène a continué à s'accumuler,

Greg Fournier, professeur adjoint de géobiologie au Département de la Terre, Sciences atmosphériques et planétaires au MIT, est un expert en phylogénétique moléculaire, découvrir les histoires évolutives des gènes et des génomes au sein des lignées microbiennes à travers les échelles de temps géologiques.

Un intérêt particulier actuel est la détection d'événements dans l'évolution des métabolismes microbiens qui s'alignent probablement sur les changements globaux des cycles biogéochimiques de la Terre, y compris l'oxygène.

L'oxygène moléculaire (O2) se transforme facilement en une forme "radicale libre" extrêmement réactive avec un électron non apparié appelé superoxyde, un produit chimique très dommageable pour de nombreux systèmes biologiques. De nombreux organismes sont protégés contre les superoxydes par des enzymes superoxyde dismutase qui convertissent le superoxyde en peroxyde d'hydrogène, la première étape de la détoxification de ce composé. Il est présent dans la plupart des bactéries existantes (c.

Fournier est un expert dans un processus appelé transfert horizontal de gènes, ou HGT. HGT est l'échange de matériel génétique entre les organismes cellulaires autrement que par la transmission "verticale" régulière de l'ADN du parent à la progéniture. Il pense que les preuves HGT de gènes liés à l'oxygène comme la superoxyde dismutase lui permettront de faire la distinction entre une accumulation constante et fluctuante.

« Si l'oxygène augmentait et restait stable, nous devrions assister à de nombreux événements de transfert de ce type associés à la superoxyde dismutase, " explique Fournier. " S'il augmentait puis diminuait, nous nous attendrions à voir des événements de transfert suivis de la disparition du gène dans différentes lignées, puisque le besoin de se protéger contre l'oxygène aurait cessé."

Parce que les données génétiques des anciennes lignées éteintes ne sont pas disponibles, les membres du laboratoire de Fournier utilisent des séquences de gènes échantillonnées dans des organismes modernes, construire des arbres évolutifs appelés phylogénies pour explorer leurs relations les uns avec les autres. En comparant ces arbres génétiques aux meilleures estimations de la relation entre les organismes microbiens, des événements de transfert peuvent être détectés, et leur calendrier relatif déduit.

Abigaïl Caron, un post-doctorant dans le Groupe Fournier, utilise un cluster informatique hébergé au Massachusetts Green High Performance Computing Center (MGHPCC) pour effectuer des analyses génétiques sur différentes bactéries à la recherche d'instances de transfert horizontal de gènes, et cartographier ces événements à travers de nombreuses lignées.

Pour seulement un petit nombre de séquences de gènes, Caron peut utiliser un processus appelé Ranger DTL (Rapid ANalysis of Gene Family Evolution using Reconciliation DTL) exécuté sur son ordinateur portable. Mais en cherchant à comparer et à intégrer les antécédents génétiques sur plus de 8, 000 espèces bactériennes, incorporer des modèles complexes d'incertitude dans les analyses d'arbres individuels, comme elle essaie de le faire, est trop intensif pour un seul ordinateur. Avoir le cluster MGHPCC sur lequel travailler lui permet d'exécuter plusieurs analyses simultanément sur des dizaines de processeurs, rendant possible de telles recherches à haute résolution sur l'histoire de ces gènes.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.