科學家們混合細菌和古菌的膜創造了新的生命形式

生命之樹由三個領域組成：古生菌、細菌和真核生物。前兩種都是原核生物，或沒有細胞核的單細胞生物。但是最初的生命形態是什麼樣子的呢？科學家們懷疑細菌和古菌是由一種假設的、距今最近的、宇宙生命的共同祖先(Last Universal Common Ancestor簡稱Luca)進化而來的，因為生物體的細胞膜是不穩定的脂質混合物。

荷蘭格羅寧根大學的研究人員創造了一種大腸桿菌，它的膜是細菌和古生菌的混合物。他們發現這種混合膜是穩定的，反駁了主流的的「脂類不互溶」假說。

一種混合膜的新生命形式

細菌的膜是由直鏈脂肪酸組成的，這些脂肪酸通過酯與由甘油-3-磷酸構成的主鏈相連。古菌的主鏈是由甘油-1-磷酸構成，異戊二烯類化合物通過乙醚鍵與之連接。根據「脂類不互溶」假說，磷脂混合膜的穩定性不如單一磷脂的均勻膜穩定。「所以最終分裂發生了，導致了細菌和古細菌的兩個領域，「格羅寧根大學分子微生物學教授ArnoldDriessen評論道。

這種分裂如果曾經發生過那它一定發生在三十五億年前。唉，這個原始事件還沒有被記錄在化石中，這使得德雷森和他的同事只有一個可行的選擇：利用逆向思維，以混合膜創造一個微生物。

格羅寧根大學的研究人員並不是第一個嘗試這項工作的人。然而，先前的試驗普遍用不超過1%的古菌脂類來設計細菌。Driessen和他的同事們因為使用了一種新的方法，他們設計了一個由驚人的30%古菌脂質組成的活細胞，因此取得了巨大的飛躍。

「主要的挑戰是如何讓大腸桿菌細胞合成大量的醚脂。在工作中有兩個關鍵因素，除了乙醚脂質途徑的酶外，我們最近發現了古醇合成酶；而大腸桿菌MEP/DOXP途徑刺激異戊二烯類生物合成的基因複製常常處於較低水平。當兩者結合在一起時，這就導致了大腸桿菌中大量的醚脂的生物合成。」

credit:123RF

在新合成的大腸桿菌中，他們用考古學等效物(古甘油)替代構成細菌膜基本雙層的脂類(磷脂醯甘油)。儘管發生了這種轉變，但細菌生長正常且穩定，這駁斥了混合膜本身不穩定的假設。這種新的生命形式也與未經修飾的大腸桿菌有所不同(如更細長的細胞)。

雖然它實際上反駁了「脂分」假說，但這項研究確實提供了一些關於是什麼導致細菌/古細菌分裂的線索。其一，古菌酶對古細胞膜脂類起著關鍵作用，但在它們催化的反應中，它們的特異性不如細菌。Ddriessen相信酶的特異性可能是導致這種分裂的原因之一。

無論如何，這是一個具有挑戰性的調查，因為逆向工程的過程還遠遠不夠完美。首先，研究人員改造了一種經過35億年進化而成的現代大腸桿菌。我問Driessen他認為科學家離模擬原始生物體有多遠時，他表現的並不是很樂觀，他說：「顯然我們還有很長的路要走，因為原始有機體有著完全不同的蛋白質組成。如果這樣說你能理解的話，我們需要模擬的是一種混合的異向膜，我們的數據顯示，它會促生一個穩定的，脂質分裂不是由內在的胰島素驅動的有機體。當然，這是對一個系統的測試，這個系統要進化成現在的樣子，而膜蛋白被用來在同質膜中發揮作用。顯然，這些膜蛋白的功能大多是被用於這樣的『原生』膜。」

接下來，研究人員計劃設計一種完全依賴於古乙醚脂的大腸桿菌。

Ddriessen表示：「我們希望用磷脂醯乙醇胺(AE)替代全磷脂醯乙醇胺(PE)，製成完全依賴於古乙醚脂類的大腸桿菌。然而，這並不是什麼容易的事情。PE是一種非雙層脂質，AE表現出更為複雜的相行為，因此它可能無法完全替代PE變現出的多態行為，而這種多態行為是大腸桿菌生存所必需的。合成生物學可能能夠構建假定的原始生命形式，這樣，進化就可以在實驗室中被重新演示，這樣我們就可以開始測試或者挑戰進化理論。這對於一個實驗進化的分子生物學家來說是一個挑戰，我們需要離開理論，在實驗上驗證假設。」

本文譯自 zmescience，由譯者 當 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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