在溫泉、火山口和深海熱液噴口等惡劣環(huán)境中——大多數(shù)生命形式都不適合居住——微生物正在蓬勃發(fā)展。最近怎么樣？這就是他們包裝自己的方式。
斯坦福大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種蛋白質(zhì)，可以幫助這些生物形成保護(hù)性的脂質(zhì)相關(guān)細(xì)胞膜，這是抵御極端酸性棲息地的關(guān)鍵。
科學(xué)家們已經(jīng)知道，這群被稱為古細(xì)菌的微生物被一層由不同化學(xué)成分組成的膜所包圍，而不是細(xì)菌、植物或動(dòng)物。他們一直認(rèn)為這可能是在極端棲息地提供保護(hù)的東西。研究小組通過(guò)鑒定在酸硫龍蝦物種中產(chǎn)生異常膜結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，直接證明了這一想法。
一些生物膜結(jié)構(gòu)保留在化石記錄中，可以用作分子化石或生物標(biāo)志物，這暗示了它們很久以前就生活在環(huán)境中。例如，尋找保存的膜脂可以指示生物何時(shí)進(jìn)化，它可能是環(huán)境的環(huán)境。展示如何創(chuàng)造這種保護(hù)膜可以幫助研究人員在未來(lái)了解其他分子化石，并為地球上生命的進(jìn)化提供新的證據(jù)。研究結(jié)果發(fā)表在12月3日的《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上。
斯坦福大學(xué)地球、能源和環(huán)境科學(xué)學(xué)院地球系統(tǒng)科學(xué)助理教授Paula Welander說(shuō)：“我們的模型是，這種生物進(jìn)化出了制造這些膜的能力，因?yàn)樗钤谒岫炔粩嘧兓沫h(huán)境中?！?斯坦福土地)?！斑@是我們第一次將一些脂質(zhì)與古細(xì)菌的環(huán)境條件聯(lián)系起來(lái)。”
稀有化學(xué)
研究發(fā)現(xiàn)，嗜酸乳桿菌中的溫泉，如黃石國(guó)家公園中溫度超過(guò)200華氏度的溫泉，可能具有波動(dòng)的酸度。這種生物也存在于火山口、深海熱液噴口和其他中低溫的酸性環(huán)境中。
韋蘭德開始研究這種微生物，因?yàn)樗邢∮械幕瘜W(xué)物質(zhì)，包括它不尋常的脂質(zhì)膜。與植物和真菌不同，古細(xì)菌不產(chǎn)生纖維素的保護(hù)性外壁，它們的膜不含有與細(xì)菌相同的化學(xué)物質(zhì)。她說(shuō)，在實(shí)驗(yàn)于2006年停止之前，科學(xué)家們已經(jīng)探索了大約10年，這個(gè)物種是如何產(chǎn)生其不尋常的膜的。
“我想我們已經(jīng)忘記了有些事情還沒有完成——自從我進(jìn)入地球生物世界以來(lái)，我發(fā)現(xiàn)了很多東西，”韋蘭德說(shuō)?！澳抢镉泻芏鄦栴}，我們只需要基礎(chǔ)知識(shí)，比如‘蛋白質(zhì)這是干什么的？這個(gè)膜結(jié)構(gòu)真的能做到我們所說(shuō)的嗎？"
根據(jù)以前對(duì)古細(xì)菌的研究，Welander和他的團(tuán)隊(duì)知道這些生物會(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)境能力的基礎(chǔ)。
為了找到答案，他們首先通過(guò)了嗜酸乳桿菌的基因組，并確定了三個(gè)可能參與鈣離子產(chǎn)生的基因。然后他們一個(gè)接一個(gè)地變異這些基因，以消除這些基因產(chǎn)生的任何蛋白質(zhì)。該實(shí)驗(yàn)揭示了一種基因，當(dāng)發(fā)生突變時(shí)，會(huì)產(chǎn)生膜中缺乏鈣離子的嗜酸乳桿菌。這種突變生物可以在高溫下生長(zhǎng)，但在高酸性環(huán)境下會(huì)枯萎，這表明蛋白質(zhì)是制造異常膜和承受酸性所必需的。
這項(xiàng)工作尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)轫f蘭德的實(shí)驗(yàn)室必須復(fù)制微生物生長(zhǎng)的高溫和酸性條件。她說(shuō)，她實(shí)驗(yàn)室的大多數(shù)孵化器只能達(dá)到體溫，所以第一作者、韋蘭德實(shí)驗(yàn)室博士后研究員曾志瑞想出了如何用一個(gè)特殊的小烤箱來(lái)模仿一個(gè)有機(jī)體的家。
“這真的很酷，”韋蘭德說(shuō)。"我們做了許多嘗試來(lái)找出化學(xué)反應(yīng)."
人生的第三個(gè)領(lǐng)域
韋蘭德說(shuō)，這項(xiàng)工作不僅僅是尋找一種蛋白質(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、大滅絕和進(jìn)化轉(zhuǎn)變。但是在科學(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)，比如如何創(chuàng)造新的脂質(zhì)。
古細(xì)菌有時(shí)被稱為“生命的第三領(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。古細(xì)菌包括地球上一些最古老和最豐富的生命形式，沒有它們，生態(tài)系統(tǒng)將會(huì)崩潰。古細(xì)菌是一種特殊的異常微生物，由于其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)，總有一天會(huì)與細(xì)菌混淆，與下一代植物或動(dòng)物相似。
這項(xiàng)研究特別有趣，因?yàn)楣派飳W(xué)的分類仍然受到分類學(xué)家的爭(zhēng)議。經(jīng)過(guò)20世紀(jì)70年代基因測(cè)序的發(fā)展，在過(guò)去的二十年里，它們只是從細(xì)菌和真核生物領(lǐng)域中分離出來(lái)。
“關(guān)于古生物學(xué)的一些差異，比如類脂，”韋蘭德說(shuō)?！肮偶?xì)菌現(xiàn)在是一個(gè)很大的研究領(lǐng)域，因?yàn)樗鼈兪俏覀兿胍獙W(xué)習(xí)和了解的不同領(lǐng)域——而且它們非?？帷！?
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