科学家“复活”古老的蛋白质,以了解地球上的原始生命


年轻的地球与当今世界显着不同。信用:美国航天局

 

地质证据告诉我们,古代地球可能看起来和我们今天所认识的星球有很大的不同。数十亿年前,我们的世界是比较严酷的地方。地球可能有更炎热的气候,酸性海洋和充满二氧化碳的气氛。通过二氧化碳污染,人为的气候变化正在重新引入如此炎热,酸化的环境,这一事实证明了它们之间的相互关联。

最近,生命科学已经开始支持这些原始地球的概念。由于古生物学领域的进展,过去十年的研究人员开始“复活”古代蛋白质。研究这些蛋白质的性质,就是让我们看到过去时代的生活。

迄今为止的结果是令人信服的。举个例子,β内酰胺酶蛋白质,首先在二十到三十亿年前发展起来。这些古老的蛋白质实际上保持更加稳定,在温度为130到150华氏度(54和66摄氏度)的温泉温度下比现代温度更好。其他蛋白质,被称为硫氧还蛋白,起源于40亿年前的生命起源时期,这些古老的蛋白质保持活跃的酸度,将分解许多现代蛋白质。这种发现帮助描绘了在5亿年前在被称为前寒武纪的广阔时代中的生活肖像。 “佐治亚理工学院的古生物化学家兼生物学教授埃里克·高歇(Eric Gaucher)说:”分子复活研究提供了一个新的证据支持地质模型的证据,表明前寒武纪地球比现代对应物更热,更酸性的海洋。 “早期的生活适应了这个环境。”

古生物化学应该有更多的话来最终说这个话题。为此,西班牙格拉纳达大学的Gaucher及其同事在2014年6月的科学杂志“蛋白质:结构,功能和生物信息学”上发表了一篇新论文。 这项研究比较了古生物化学中使用的两种常用技术有潜在的生物技术应用,如寻找处理抗生素耐药性祸害的方法。这两种方法可以让科学家推断从以前的蛋白质组成。

解读地球上生物群的发展,不仅是将地球的过去和潜在的未来拼凑在一起,而且也是衡量宇宙中可能出现哪些生命的重要因素。戈彻说:“了解早期地球上的生命起源和多样化,为我们提供了一个支持原始生命状况的视角。 “这些信息可以更好地告诉我们的决定,以寻找其他星球上的生命。”

为旧蛋白质呼吸新生命

活生物将蛋白质用于生活中的大部分业务。这些分子形成细胞的许多结构成分,并促进了化学动力。由20种氨基酸构成的任何一种组合制成,蛋白质的复杂性和功能几乎是无尽的。

蛋白质结构的可视化。学分:Ken Downing,UC Berkeley和LBNL

  Gaucher说:“认为现代地球上所有有机体中都含有数十亿种不同的蛋白质,这是非常了不起的。 “然而,这些蛋白质由相同的结构单元构成,只是以不同的配置或序列排列。”

研究人员编译了大量的蛋白质氨基酸序列数据库。序列已经改变了进化历史。通过比较今天的序列,科学家可以很好地了解现代版本的祖先蛋白质的序列。

这个概念更像是将现代语言追溯到较老的源语言,就像Gaucher先前向“天体生物学杂志”所解释的那样。 比较几个欧洲语言,例如,会看出,法国,意大利,葡萄牙, 罗马尼亚语和西班牙语都有明确的拉丁根源。 Gaucher说:“分子复活研究使用自上而下的方法,即利用现代生物信息来推断古代生物学。 “研究这种古老的生物学使我们更接近生命的起源本身。”

一致的方法

一种方法被称为共识序列工程,而且更简单。科学家们只是将感兴趣的蛋白序列插入蛋白质数据库。查询返回大量的“点击”或类似的序列。

“这些序列可能对应于与查询蛋白质进化相关的现代蛋白质,”Valeria Risso,新的蛋白质论文和格拉纳达大学的化学家的主要作者说。

Risso和同事从那里收集了类似蛋白质相应位置出现的特定氨基酸的统计数据。无论哪种氨基酸出现最频繁被认为是“共识”氨基酸。

在理论上,这个共有氨基酸以前发生在进化历史上较早的序列位置,在突变导致不同的现代序列之前。这是有道理的,因为自然是保守的。进化应该有利于保持一个有效的序列,而不是一个突变的序列。当然,时不时的突变将通过为有机体提供优势或至少不会妨碍其拥有者的繁殖而“得到它的保留”。

寻求共识的任务是针对每个氨基酸位置完成的。下一步:在实验室中人工产生共有蛋白质。这是通过将修饰的基因导入模型生物,如细菌大肠杆菌来完成的。有机体通过自然的手段轻易地将蛋白质敲出来。然后可以通过观察在特定条件下如何发生化学反应的新旧蛋白质的步骤。

生命之树

第二种方法更贴近历史语言学比喻。它涉及到创建所谓的系统发育树。基本上,蛋白质序列与以前一样进行比较,但是他们通过基于进化模型的分析来搜索“节点”或分支点。

生命系统发育树。图片来源:Wikimedia Commons节点序列

 

代表随后分裂到现代的物种的最后共同的祖先。另一种思考这种系统发育树方法的方法是它本质上是一个族谱。

节点序列被推断和编译。重建的序列编码的蛋白质,然后在实验室合成 - “实验室复活”,因为它被称为。与共有序列工程一样,蛋白质由模型生物体产生,然后评估其性质。

有希望的是,与其后代蛋白质相比,所得蛋白质的特性应该像逻辑进化链中的链接一样适合。 “Gaucher说,”通过提供令人信服的演化叙述,这些属性有望从“生物学角度”讲述一个有意义的故事。

这种蛋白质故事叙述的一个例子是:如前所述,古代蛋白质似乎为地热建议的青年地球所特有的高热量,高酸度环境条件而优化。

这两种古生物化学技术都试图恢复通过进化的沧桑长期失去的蛋白质。但是,共识技术是否可以像恢复系统发育一样,恢复“真正的”原始蛋白?新的文件旨在回答这个问题。

Dueling time machines

两种不同β-内酰胺酶蛋白质结构的可视化。橙色结构来自引起鼠疫的病原体耶尔森菌(Yersinia pestis),绿色来自大肠杆菌(Escherichia coli)。学分:传染病结构基因组学中心/ NIAID

 

研究人员比较了由共识产生的β内酰胺酶蛋白的性质 序列和系统发育序列方法。内酰胺酶是抗生素耐药的主要手段。它允许一个有机体坚持抗内酰胺类抗生素;我们依靠许多内酰胺药物,如青霉素来抵抗感染。

为研究创建了三个共有变体。序列方面,它们确实非常类似于更为严格的系统发育方法。

但是,共有序列衍生的蛋白质不如系统发育蛋白质稳定。他们也没有与其他相关的分子合作。这是古代蛋白质的一个趋势特征,根据理论,它起源于通才,然后在进化过程中磨练和专门化。尽管共有序列蛋白仅有几个氨基酸不同,但功能上的重要区别在于。

总的来说,从生物技术或天体生物学的角度来看,共识工程看起来并不是最好的方法,可以用于反思古代生活的工作方式。纸质合着者Jose M. Sanchez-Ruiz(也是格拉纳达大学的化学家)说:“共识在蛋白质工程中肯定仍然是一个有趣的方法。然而,桑切斯鲁伊斯补充说,研究的结果支持祖先重建和复活作为一个更有效的程序,以获得极端和有用的特性蛋白质。

生活,解码

学习更多关于原始生活将开辟了很多科学的途径。从根本上说,重建生命的历史使我们更加熟悉生物学所需要的零件。

欧罗巴地下“湖”的横断面。欧罗巴结冰的地壳被认为是巨大的咸海。湖面表明地表和地下可以相互作用,转移营养和能量。图片来源:Britney Schmidt / Dead Pixel VFX / Univ。得克萨斯州奥斯汀

 高雪说:“类似于工程谚语,除非你能够建立它,否则你不能理解某些东西,只有当我们能够建立生活时,才能更全面地理解生活。

衡量什么样的成分和环境有利于地球上的生命形成,这将为天体生物的雄心壮志提供信息。知道如何寻找未来的任务到潜在的生活地点,如木星的月亮欧罗巴,将是一个更完整的早期地球微生物的图片的一个好处。

然而,与单独的蛋白质玩耍相比,更好的是将整个有机体大小。敬请期待:通过系统发育学的成功,Gaucher及其同事希望能够将古老的细菌和古菌从死亡中带回来。

“虽然目前大多数复活研究都集中在一次复活一个或两个蛋白质家族,”Gaucher说,“我们预计在不久的将来我们将能够复活一个完整的祖先基因组并启动这个基因组使用现代生活,实质上,复活长期已经绝迹的生活方式。“

 

来源:Astrobio,Adam Hadhazy