Os cientistas sabem que o oxigênio atmosférico se acumulou irreversivelmente na Terra há cerca de 2,3 bilhões de anos, em um momento conhecido como o Grande Evento de Oxidação, ou GOE. Antes dessa época, toda a vida era microbiana, e mais, se não todos, ambientes eram anóxicos (isto é, não continha oxigênio). O oxigênio foi produzido pela primeira vez algum tempo antes do GOE, por meio da evolução de um grupo de bactérias fotossintéticas conhecidas como cianobactérias. Liberar oxigênio como um subproduto da divisão da água a fim de adquirir elétrons para serem energizados pela luz, este processo levou a mudanças dramáticas nos processos biológicos e geoquímicos em escala planetária. Eventualmente, o acúmulo contínuo de oxigênio levou a uma superfície oxidada, atmosfera, e o oceano que persistem até hoje.

Além de lançar luz sobre uma mudança fundamental no clima da Terra, espera-se que a compreensão do GOE ajude os cientistas a obter informações sobre a ascensão dos eucariotos - organismos celulares como nós, humanos, em que o material genético é o DNA na forma de cromossomos contidos em um núcleo distinto. Os eucariotos requerem oxigênio para produzir esteróis, uma parte importante de suas membranas celulares. Além disso, eucariotos também contêm mitocôndrias, organelas descendem de bactérias antigas que usam oxigênio para gerar energia por meio da respiração aeróbica.

Atualmente, existem duas escolas de pensamento sobre como os níveis de oxigênio aumentaram:A primeira propõe um pequeno aumento inicial na época do GOE, com níveis baixos, mas estáveis ​​até aumentar novamente cerca de 600 milhões de anos atrás, aproximando-se dos níveis modernos. O segundo postula um aumento mais oscilatório com um aumento maior imediatamente após o GOE, e, em seguida, uma falha subsequente, com níveis aumentando novamente apenas 600 milhões de anos atrás.

Embora os geólogos tenham conseguido estabelecer datas cada vez mais precisas para o início do GOE por meio de análises geoquímicas, a capacidade de detectar variações transitórias nos níveis de oxigênio após o GOE são menos prontamente detectadas no registro de rocha. Contudo, nas últimas duas décadas, seria justo dizer, a ciência experimentou um "grande evento genômico" através do qual os biólogos, armado com a capacidade de sequenciar genes cada vez mais rapidamente, agora estão trabalhando arduamente, sequenciando tudo o que podem. E acontece que a genômica pode conter a resposta de como o oxigênio continuou a se acumular,

Greg Fournier, um professor assistente de geobiologia no Departamento da Terra, Ciências Atmosféricas e Planetárias no MIT, é especialista em filogenética molecular, descobrir as histórias evolutivas de genes e genomas dentro de linhagens microbianas em escalas de tempo geológicas.

Um interesse atual particular é a detecção de eventos na evolução do metabolismo microbiano que provavelmente se alinham com as mudanças globais nos ciclos biogeoquímicos da Terra, incluindo oxigênio.

O oxigênio molecular (O2) muda prontamente para uma forma de "radical livre" extremamente reativa com um elétron desemparelhado chamado superóxido, um produto químico altamente prejudicial a muitos sistemas biológicos. Muitos organismos são protegidos contra superóxidos por enzimas superóxido dismutase que convertem superóxido em peróxido de hidrogênio, o primeiro passo para desintoxicar este composto. Está presente na maioria das bactérias existentes (ou seja, aquelas que estão vivas hoje), mas presume-se que tenha aparecido originalmente em resposta ao ambiente cada vez mais rico em oxigênio do GOE.

Fournier é especialista em um processo chamado transferência horizontal de genes, ou HGT. HGT é a troca de material genético entre organismos celulares, exceto pela transmissão "vertical" regular de DNA de pais para filhos. Ele acredita que a evidência de HGT de genes relacionados ao oxigênio, como a superóxido dismutase, permitirá que ele faça a distinção entre um aumento constante e um flutuante.

"Se o oxigênio subisse e permanecesse estável, deveríamos ver muitos desses eventos de transferência associados à superóxido dismutase, "Fournier explica." Se ele aumentasse e depois diminuísse, esperaríamos ver eventos de transferência seguidos pelo desaparecimento do gene em diferentes linhagens, já que a necessidade de proteção contra o oxigênio teria cessado. "

Como os dados genéticos de antigas linhagens extintas não estão disponíveis, membros do Laboratório de Fournier usam sequências de genes amostrados em organismos modernos, construir árvores evolucionárias conhecidas como filogenias para explorar como elas se relacionam umas com as outras. Ao comparar essas árvores gênicas com as melhores suposições de como os organismos microbianos estão relacionados, eventos de transferência podem ser detectados, e seu tempo relativo inferido.

Abigail Caron, um pós-doutorado no Grupo Fournier, usa um cluster de computador alojado no Massachusetts Green High Performance Computing Center (MGHPCC) para executar análises genéticas em diferentes bactérias em busca de instâncias de transferência horizontal de genes, e mapear esses eventos em muitas linhagens.

Para apenas um pequeno número de sequências de genes, Caron pode usar um processo chamado Ranger DTL (Rapid ANalysis of Gene Family Evolution usando Reconciliation DTL) executado em seu laptop. Mas procurar comparar e integrar histórias de genes em mais de 8, 000 espécies bacterianas, incorporando modelos complexos de incerteza nas análises de árvore individuais, como ela está tentando fazer, é muito intenso para um único computador. Ter o cluster MGHPCC para trabalhar permite que ela execute várias análises simultaneamente em dezenas de processadores, tornando possíveis tais investigações de alta resolução na história desses genes.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.