蛋白質(zhì)不僅僅是飲食要求。這種多樣的分子幾乎為生物體內(nèi)的所有細(xì)胞操作提供動(dòng)力?？茖W(xué)家可能知道蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)或其功能，但并不總是能夠?qū)⑦@兩者聯(lián)系起來(lái)。“生物學(xué)中的一個(gè)大問(wèn)題是蛋白質(zhì)如何做它的作用。我們認(rèn)為答案取決于蛋白質(zhì)的進(jìn)化，”伊利諾伊大學(xué)教授兼生物信息學(xué)家Gustavo Caetano-Anollés說(shuō)。

地質(zhì)學(xué)家發(fā)現(xiàn)，數(shù)十億年前的巖石中殘留著生命殘余。在某些情況下，微生物和組織的保存非常好，可以檢測(cè)到曾經(jīng)與特定蛋白質(zhì)相關(guān)的微觀細(xì)胞結(jié)構(gòu)。這種地質(zhì)記錄使科學(xué)家們?cè)谙喈?dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的進(jìn)化歷史隱藏起來(lái)。但是，直到現(xiàn)在，與現(xiàn)在相比，并不總是能夠?qū)⒐δ芘c這些結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)，以了解蛋白質(zhì)在數(shù)十億年前在細(xì)胞中的表現(xiàn)。

“這是我們第一次追溯到生物網(wǎng)絡(luò)，”Caetano-Anollés指出。

Caetano-Anollés和研究生Fayez Aziz和Kelsey Caetano-Anollés使用網(wǎng)絡(luò)研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和分子功能之間的聯(lián)系。他們?cè)诘刭|(zhì)記錄中建立了跨越38億年的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)間表，但需要一種方法將結(jié)構(gòu)與其功能聯(lián)系起來(lái)。為此，他們研究了數(shù)百種生物的基因組成。

“事實(shí)證明，隨著時(shí)間的推移，我們的基因中幾乎沒(méi)有片段，這些片段非常難以保存，”Caetano-Anollés說(shuō)。“而且不只是在人類基因組中。當(dāng)我們看到高等生物，如植物，真菌和動(dòng)物，以及細(xì)菌，古細(xì)菌和病毒時(shí)，相同的片段總是在那里。我們一遍又一遍地看到它們。”

研究小組發(fā)現(xiàn)，這些微小的基因片段會(huì)讓蛋白質(zhì)產(chǎn)生“環(huán)”，這是蛋白質(zhì)中最微小的結(jié)構(gòu)單元。當(dāng)環(huán)路結(jié)合在一起時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生活性位點(diǎn)或分子袋，從而賦予蛋白質(zhì)功能。例如，血紅蛋白，即在血液中攜帶氧的蛋白質(zhì)，具有兩個(gè)環(huán)，其產(chǎn)生結(jié)合氧的活性位點(diǎn)。環(huán)結(jié)合起來(lái)產(chǎn)生更大的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，稱為結(jié)構(gòu)域。

值得注意的是，新的研究表明，循環(huán)已被反復(fù)招募以執(zhí)行新功能，并且該過(guò)程自生命開(kāi)始以來(lái)一直活躍和持續(xù)。“這種招募對(duì)于理解生物多樣性非常重要，”Caetano-Anollés說(shuō)。該研究的一個(gè)重要方面涉及域結(jié)構(gòu)和功能環(huán)之間的實(shí)際聯(lián)系。研究人員發(fā)現(xiàn)，這種聯(lián)系的特點(diǎn)是一種意外的屬性，這種屬性在時(shí)間上展開(kāi)，這是一種稱為分層模塊化的“緊急”屬性。

“循環(huán)是有凝聚力的模塊，域，蛋白質(zhì)，細(xì)胞，器官和身體也是如此。” Caetano-Anollés解釋道。“我們都是由具有凝聚力的模塊組成的，包括我們的人體。這是層次結(jié)構(gòu)的模塊化：將小的有凝聚力的部分構(gòu)建成更大，越來(lái)越復(fù)雜的整體。”

分層模塊化也存在于人造網(wǎng)絡(luò)中，例如互聯(lián)網(wǎng)。例如，每個(gè)路由器代表一個(gè)“信息”，它將信息推送到不同的計(jì)算機(jī)。當(dāng)數(shù)百萬(wàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)在線互相交互時(shí)，會(huì)出現(xiàn)更大，更復(fù)雜的實(shí)體。Caetano-Anollés認(rèn)為，人造網(wǎng)絡(luò)的演變可以像生物網(wǎng)絡(luò)的演化一樣進(jìn)行映射。

“從計(jì)算機(jī)科學(xué)的角度來(lái)看，很少有人一直在探索如何及時(shí)跟蹤網(wǎng)絡(luò)。想象一下，當(dāng)新的路由器被添加，斷開(kāi)連接或相互聯(lián)網(wǎng)時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)如何發(fā)展和變化。這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，因?yàn)槟抢飻?shù)百萬(wàn)臺(tái)路由器需要跟蹤，互聯(lián)網(wǎng)通信可以是高度動(dòng)態(tài)的。在我們的研究中，我們展示了如何通過(guò)一個(gè)非常小的網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)它，“Caetano-Anollés解釋道。

Caetano-Anollés及其團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的方法現(xiàn)在有可能解釋變化如何構(gòu)建系統(tǒng)，如互聯(lián)網(wǎng)，社交網(wǎng)絡(luò)或生物體中所有蛋白質(zhì)的集合。