在諸如溫泉，火山口和深海熱液噴口等惡劣環(huán)境中 - 大多數(shù)生命形式無法居住 - 微觀生物正在蓬勃發(fā)展。怎么樣?這就是他們?nèi)绾伟b自己。斯坦福大學(xué)的研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種蛋白質(zhì)，可以幫助這些生物體形成保護(hù)性的脂質(zhì)相關(guān)細(xì)胞膜 - 這是抵抗極度酸性生境的關(guān)鍵。

科學(xué)家們已經(jīng)知道，這組微生物 - 稱為古細(xì)菌 - 被一種由不同化學(xué)成分組成的膜所包圍，而不是細(xì)菌，植物或動(dòng)物。他們長期以來假設(shè)它可能是在極端棲息地提供保護(hù)的東西。該團(tuán)隊(duì)通過鑒定在Sulfolobus acidocaldarius物種中產(chǎn)生不尋常膜結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)直接證明了這一想法。

一些生物膜的結(jié)構(gòu)保留在化石記錄中，可以作為分子化石或生物標(biāo)志物，留下很久以前生活在環(huán)境中的暗示。例如，尋找保存的膜脂可以暗示生物體何時(shí)進(jìn)化以及它可能是如何成為其環(huán)境的環(huán)境。能夠展示如何創(chuàng)建這種保護(hù)膜可以幫助研究人員了解未來的其他分子化石，提供有關(guān)地球生命進(jìn)化的新證據(jù)。結(jié)果出現(xiàn)在12月3日的“美國國家科學(xué)院院刊”上。

斯坦福大學(xué)地球，能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院地球系統(tǒng)科學(xué)助理教授Paula Welander說：“我們的模型是這種生物體進(jìn)化出制造這些膜的能力，因?yàn)樗钤谒岫茸兓沫h(huán)境中。” (斯坦福大地)。“這是我們第一次將部分脂質(zhì)與古細(xì)菌的環(huán)境條件聯(lián)系起來。”

稀有化學(xué)

該溫泉是超過200華氏度，其中S.熱硫化葉菌被發(fā)現(xiàn)，如在黃石國家公園，可以體驗(yàn)波動(dòng)的酸度。這種生物體也存在于火山口，深海熱液噴口和其他具有中等和低溫的酸性環(huán)境中。

Welander開始研究這種微生物，因?yàn)樗泻币姷幕瘜W(xué)物質(zhì)，包括其不尋常的脂質(zhì)膜。與植物和真菌不同，古菌生物不會(huì)產(chǎn)生纖維素的保護(hù)性外壁，它們的膜不含與細(xì)菌相同的化學(xué)物質(zhì)。她說，在2006年試驗(yàn)停止之前，科學(xué)家已經(jīng)探索了該物種如何產(chǎn)生其不尋常的膜約10年。

“我認(rèn)為我們忘記了有些事情還沒有完成 - 自從我進(jìn)入地球生物學(xué)世界以來，我就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多東西，”Welander說道。“那里有很多問題，我們只需要基本的知識(shí)，例如'這樣做的蛋白質(zhì)是什么?這種膜結(jié)構(gòu)真的能做到我們所說的嗎?'”

根據(jù)先前對(duì)古細(xì)菌的研究，Welander及其團(tuán)隊(duì)知道這些生物體會(huì)產(chǎn)生一種含有環(huán)狀分子的膜，稱為calditol。該組織認(rèn)為這種分子可能是該物種抵御其他生物死亡環(huán)境的能力的基礎(chǔ)。

為了找到答案，他們首先通過了S. acidocaldarius的基因組，并確定了可能參與制造calditol的三個(gè)基因。然后他們逐個(gè)突變這些基因，消除基因產(chǎn)生的任何蛋白質(zhì)。實(shí)驗(yàn)揭示了一個(gè)基因，當(dāng)突變時(shí)，產(chǎn)生缺乏膜中的calditol的S. acidocaldarius。這種突變的生物體能夠在高溫下生長，但在高酸性環(huán)境中枯萎，這表明該蛋白質(zhì)對(duì)于制造不尋常的膜并承受酸度是必要的。

這項(xiàng)工作特別具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)閃elander的實(shí)驗(yàn)室不得不復(fù)制那些微生物茁壯成長的高溫酸性條件。她說，她實(shí)驗(yàn)室中的大多數(shù)孵化器只能達(dá)到體溫，因此，Welander實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員Zhirui Zeng想知道如何使用一個(gè)特殊的小烤箱來模仿有機(jī)體的家。

“這真的很酷，”韋蘭德說。“我們做了很多嘗試，試圖找出化學(xué)反應(yīng)。”

生命的第三個(gè)領(lǐng)域

Welander說，這項(xiàng)工作不僅僅是找到一種蛋白質(zhì)。她的研究探索了當(dāng)今微生物中發(fā)現(xiàn)的脂質(zhì)，目的是了解地球的歷史，包括古代氣候事件，大規(guī)模滅絕和進(jìn)化過渡。但在科學(xué)家能夠解釋進(jìn)化特征之前，他們需要了解基礎(chǔ)知識(shí)，例如如何創(chuàng)造新的脂質(zhì)。

古菌有時(shí)被稱為“生命的第三個(gè)領(lǐng)域”，其中一個(gè)領(lǐng)域是細(xì)菌，另一個(gè)領(lǐng)域是植物和動(dòng)物 - 統(tǒng)稱為真核生物。古菌包括地球上一些最古老，最豐富的生命形態(tài)，沒有它，生態(tài)系統(tǒng)就會(huì)崩潰。古細(xì)菌是特別異常的微生物，有一天與細(xì)菌混淆，并且由于其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)而與下一代植物或動(dòng)物相似。

這項(xiàng)研究特別有趣，因?yàn)楣派锏姆诸惾匀皇艿椒诸悓W(xué)家的爭論。在20世紀(jì)70年代基因測序的發(fā)展之后，它們?cè)谶^去二十年中僅與細(xì)菌和真核生物結(jié)構(gòu)域分離。

“有關(guān)古生物的某些不同之處，如脂質(zhì)，”韋蘭德說。“古細(xì)菌現(xiàn)在是一個(gè)很大的研究領(lǐng)域，因?yàn)樗鼈兪俏覀兿雽W(xué)習(xí)和理解的不同領(lǐng)域 - 而且它們真的很酷。”