它是地球上最微小的生物之一，也是最豐富的生物之一。而現(xiàn)在，稱為Prochlorococcus的微觀海洋細(xì)菌可以在其屬性列表中增加一個(gè)更高級(jí)別：它發(fā)展出新的代謝物，稱為長肽，比任何其他已知生物更加豐富和快速。

雖然大多數(shù)細(xì)菌含有基因來抽出這種肽的一種或兩種形式，但Prochlorococcus品種每種都可以產(chǎn)生二十多種不同的肽(與蛋白質(zhì)相似但分子較小的分子)。盡管地球上所有的Prochlorococcus品種都只屬于一個(gè)物種，但它們?cè)谑澜绮煌Ｓ虻囊恍┍镜鼗贩N各自產(chǎn)生了數(shù)千種這些肽的獨(dú)特集合，與陸地細(xì)菌產(chǎn)生的不同。

本周在美國國家科學(xué)院院刊上發(fā)表的令人吃驚的調(diào)查結(jié)果，由前麻省理工學(xué)院研究生Andres Cubillos-Ruiz，伊利諾伊大學(xué)化學(xué)教授Wilfred van der Donk的Sallie“Penny”Chisholm教授和兩位研究員發(fā)現(xiàn)。其他。

“這是非常重要的工作，”猶他大學(xué)藥物化學(xué)教授埃里克施密特說，他沒有參與這項(xiàng)研究。“這些作者展示了大自然如何進(jìn)化出創(chuàng)造化學(xué)多樣性的方法。真正讓它與眾不同的是它探討了這種進(jìn)化是如何在自然界中發(fā)生的，而不是在實(shí)驗(yàn)室中。他們研究了一個(gè)巨大的棲息地，即開闊的海洋。 ，“ 他說。

Cubillos-Ruiz說：“在這項(xiàng)新的研究中，沒有人看到過這些分子多樣性的真實(shí)程度”。這種意想不到的多樣性的第一個(gè)暗示在2010年浮出水面，當(dāng)時(shí)van der Donk和Chisholm實(shí)驗(yàn)室的成員Bo Li和Daniel Sher分別發(fā)現(xiàn)，一種Prochlorococcus可以產(chǎn)生多達(dá)29種不同的多肽。但是當(dāng)Cubillos-Ruiz看到其他種群并發(fā)現(xiàn)相同的生物在不同的位置產(chǎn)生相同數(shù)量的多肽時(shí)，出現(xiàn)了巨大的驚喜，“并且所有這些都完全不同，”他說。

經(jīng)過大量研究，檢查了許多原球蛋白培養(yǎng)基的基因組和來自野外的DNA片段，研究人員確定，非常數(shù)量的長壁肽進(jìn)化的方式本身就是以前沒有觀察到的東西。雖然大多數(shù)進(jìn)化都是通過微小的漸進(jìn)變化進(jìn)行的，但在保留絕大多數(shù)遺傳結(jié)構(gòu)的同時(shí)，使得Prochlorococcus能夠產(chǎn)生這些長肽的基因正好相反。它們不知何故同時(shí)經(jīng)歷了戲劇性的批發(fā)變化，導(dǎo)致這些代謝物的數(shù)千種新品種的產(chǎn)生。

Cubillos-Ruiz現(xiàn)在是麻省理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程與科學(xué)研究所的博士后，她表示這些基因改變的方式“并未遵循經(jīng)典的系統(tǒng)發(fā)育規(guī)則”，這就要求變化應(yīng)該緩慢而漸進(jìn)地發(fā)生，以避免破壞性的變化。功能。但這個(gè)故事有點(diǎn)復(fù)雜：編碼這些長肽的特定基因由兩部分組成，端到端連接。其中一部分實(shí)際上在種族和不同種群中保存得非常完好。這是結(jié)構(gòu)中這些重大變革的另一端。“下半場變化驚人，”他說。“該基因的兩半采取了完全不同的進(jìn)化途徑，這種情況并不常見。”

這些數(shù)千種肽中的大多數(shù)(稱為原丙聚糖)的實(shí)際功能仍然未知，因?yàn)樗鼈冊(cè)趯?shí)驗(yàn)室條件下很難研究。由陸生細(xì)菌產(chǎn)生的類似化合物可以作為生物體之間的化學(xué)信號(hào)傳導(dǎo)裝置，而已知其他化合物具有抗微生物功能，并且許多其他化合物用于尚未確定的目的。然而，由于已知的抗菌功能，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為篩選這些化合物以確定它們是否可能成為新抗生素或其他有用生物制品的候選物將是有用的。

Procillococcus的這種進(jìn)化機(jī)制代表了“這種特殊代謝物的一種有趣的進(jìn)化模式，”Cubillos-Ruiz說。雖然進(jìn)化通常有利于保留從祖先到后代的大部分遺傳結(jié)構(gòu)，“在這種生物體中，選擇似乎有利于能夠產(chǎn)生許多和非常不同的多肽的細(xì)胞。因此，這種內(nèi)在的集體多樣性似乎是其中的一部分。它的功能，但我們還不知道它的目的。我們可以猜測(cè)，但考慮到它們的可變性，它很難證明。“他說，也許它與提供防御病毒攻擊有關(guān)，或者它可能涉及與其他細(xì)菌的通信。

“Prochlorococcus試圖告訴我們什么，但我們還不知道那是什么，”Chisholm說，他在麻省理工學(xué)院的土木與環(huán)境工程和生物學(xué)系擔(dān)任聯(lián)合任命。“[Cubillos-Ruiz]通過這個(gè)分子發(fā)現(xiàn)的是多樣性的進(jìn)化機(jī)制。”這種多樣性顯然必須具有非常重要的生存價(jià)值，她說：“這是一個(gè)如此小的生物體，擁有如此小的基因組，將其遺傳潛力用于生產(chǎn)這些分子必須意味著它們發(fā)揮著重要作用。是：那個(gè)角色是什么?“

事實(shí)上，這種過程可能并不是唯一的 - 可能只是因?yàn)镃hisholm及其同事最初在1986年發(fā)現(xiàn)并且從那時(shí)起一直在研究的有機(jī)體Prochlorococcus提供了這種分析所需的大量數(shù)據(jù)。“這可能發(fā)生在其他類型的細(xì)菌中，”Cubillos-Ruiz說，“因此，如果人們開始考慮其他環(huán)境以尋求這種多樣性，那么它可能會(huì)變得不那么獨(dú)特。”“在其他[生物]系統(tǒng)中也有一些提示，”他說。

哈佛大學(xué)生物化學(xué)和分子藥理學(xué)名譽(yù)教授克里斯托弗沃爾什(Christopher Walsh)表示，“單一酶組裝的原卟啉類藥物的多樣性......引發(fā)了關(guān)于數(shù)千種環(huán)肽結(jié)構(gòu)如何進(jìn)化的令人驚訝的問題。通過有利于大變革而非增量變革的變更來實(shí)現(xiàn)。“

根據(jù)Schmidt的說法，“有許多可能的實(shí)際應(yīng)用。第一個(gè)是相當(dāng)清楚的：通過使用這種自然變異，可以使用相同的過程來設(shè)計(jì)和制造可能是藥物或其他材料的化學(xué)品。更重要的是，通過了解自然產(chǎn)生化學(xué)多樣性的過程，這將有助于創(chuàng)建在細(xì)胞中合成所需應(yīng)用的方法。“