通過研究一組不同尋常的磁性微生物，加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種普遍存在的蛋白質(zhì)家族的新功能。蛋白酶是在所有生物體中發(fā)現(xiàn)的主要酶，其通過咀嚼蛋白質(zhì)而在一般的細胞維持和通信中起作用。在2016年3月16日在Open Access期刊PLOS Biology上發(fā)表的一篇論文中，Komeili實驗室以及Hurley和Chang團隊的合作者現(xiàn)在已經(jīng)證明，一種名為MamO的細菌蛋白已經(jīng)從一種常見的蛋白酶轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N無活性的酶。這有助于使用新型金屬結(jié)合基序構(gòu)建磁性納米粒子。

許多生物，從哺乳動物到小型單細胞藻類，通過精心制作的三維礦物質(zhì)為其細胞增添功能。這些“生物礦化”過程的產(chǎn)品在基礎(chǔ)和工業(yè)環(huán)境中都非常有用。“我們想知道礦物質(zhì)是如何建造在自然界的，因為它們構(gòu)成了許多生物的基本生存策略，”Komeili博士說。此外，科學(xué)家們有興趣模仿天然生物礦化系統(tǒng)來設(shè)計定制的納米粒子，以用于許多應(yīng)用。為了研究礦物生產(chǎn)的生物控制，Komeili和他的團隊一直在研究一組叫做趨磁細菌的微生物，制造磁性晶體鏈，讓細胞沿地球的地磁場游動。他們的研究重點是Magnetospirillum magneticum AMB-1，一種稱為磁小體的小隔室的細菌，它容納用于結(jié)晶鐵原子以制造磁鐵礦的機器。Komeili的研究小組知道在AMB-1的礦物形成的最早階段需要兩種蛋白質(zhì)MamE和MamO?；陬A(yù)測的與每個基因的DNA序列中的已知酶的相似性，兩種蛋白質(zhì)都被指定為蛋白酶。

為了了解蛋白質(zhì)的工作原理，Komeili實驗室的研究生David Hershey想要了解MamO的精確結(jié)構(gòu)和活動。他們使用X射線晶體學(xué)來定義MamO的原子結(jié)構(gòu)。乍一看，MamO采用的形狀與其他蛋白酶非常相似。但通過更仔細地檢查結(jié)構(gòu)，Hershey和他的同事發(fā)現(xiàn)，MamO充滿了變化，表明它已失去執(zhí)行其蛋白酶功能的能力。相反，他們發(fā)現(xiàn)MamO具有意想不到的金屬結(jié)合活性，這是AMB-1制造磁性晶體所必需的。他們的研究結(jié)果表明，這種古老的蛋白酶支架已經(jīng)轉(zhuǎn)化為一種新穎的金屬結(jié)合特征。出奇，他們發(fā)現(xiàn)在所有主要的趨磁細菌群中都發(fā)生了類似于AMB-1中發(fā)現(xiàn)的過程。使用他們在MamO中鑒定的基序，他們表明這些非常多樣化的物種的基因組也具有無活性的蛋白酶。通過追蹤它們的進化軌跡，他們發(fā)現(xiàn)通過會聚進化在磁小體的整個進化過程中，無活性的蛋白酶已經(jīng)多次出現(xiàn)。“我們真的認為這種不同尋常的東西只會發(fā)展一次。事實并非如此。這真的只是鞏固了這個過程的不尋常程度，”David Hershey說。Komeili和他的團隊認為，遙遠過去環(huán)境的巨大變化提供了選擇性的壓力，需要存在非活性蛋白酶才能形成 使用他們在MamO中鑒定的基序，他們表明這些非常多樣化的物種的基因組也具有無活性的蛋白酶。通過追蹤它們的進化軌跡，他們發(fā)現(xiàn)通過會聚進化在磁小體的整個進化過程中，無活性的蛋白酶已經(jīng)多次出現(xiàn)。“我們真的認為這種不同尋常的東西只會發(fā)展一次。事實并非如此。這真的只是鞏固了這個過程的不尋常程度，”David Hershey說。Komeili和他的團隊認為，遙遠過去環(huán)境的巨大變化提供了選擇性的壓力，需要存在非活性蛋白酶才能形成 使用他們在MamO中鑒定的基序，他們表明這些非常多樣化的物種的基因組也具有無活性的蛋白酶。通過追蹤它們的進化軌跡，他們發(fā)現(xiàn)通過會聚進化在磁小體的整個進化過程中，無活性的蛋白酶已經(jīng)多次出現(xiàn)。“我們真的認為這種不同尋常的東西只會發(fā)展一次。事實并非如此。這真的只是鞏固了這個過程的不尋常程度，”David Hershey說。Komeili和他的團隊認為，遙遠過去環(huán)境的巨大變化提供了選擇性的壓力，需要存在非活性蛋白酶才能形成 通過追蹤它們的進化軌跡，他們發(fā)現(xiàn)通過會聚進化在磁小體的整個進化過程中，無活性的蛋白酶已經(jīng)多次出現(xiàn)。“我們真的認為這種不同尋常的東西只會發(fā)展一次。事實并非如此。這真的只是鞏固了這個過程的不尋常程度，”David Hershey說。Komeili和他的團隊認為，遙遠過去環(huán)境的巨大變化提供了選擇性的壓力，需要存在非活性蛋白酶才能形成 通過追蹤它們的進化軌跡，他們發(fā)現(xiàn)通過會聚進化在磁小體的整個進化過程中，無活性的蛋白酶已經(jīng)多次出現(xiàn)。“我們真的認為這種不同尋常的東西只會發(fā)展一次。事實并非如此。這真的只是鞏固了這個過程的不尋常程度，”David Hershey說。Komeili和他的團隊認為，遙遠過去環(huán)境的巨大變化提供了選擇性的壓力，需要存在非活性蛋白酶才能形成 大衛(wèi)赫爾希說。Komeili和他的團隊認為，遙遠過去環(huán)境的巨大變化提供了選擇性的壓力，需要存在非活性蛋白酶才能形成 大衛(wèi)赫爾希說。Komeili和他的團隊認為，遙遠過去環(huán)境的巨大變化提供了選擇性的壓力，需要存在非活性蛋白酶才能形成磁性納米粒子。

關(guān)于MamO的結(jié)構(gòu)，活動和進化的意外發(fā)現(xiàn)為未來生物礦化的一系列探索奠定了基礎(chǔ)。Komeili的小組希望繼續(xù)研究MamO在生物礦化中對金屬結(jié)合的確切作用。MamO是否直接隔離鐵來構(gòu)建磁性晶體的核心?或者，它是否作為局部磁小體環(huán)境的監(jiān)測系統(tǒng)，在適當?shù)臅r間啟動生物礦化?更廣泛地說，Komeili博士希望MamO的金屬結(jié)合活性可以利用簡化的化學(xué)系統(tǒng)合成生產(chǎn)磁性顆粒。