复活祖先基因:有助于揭晓外星生命真面目

新浪科技
2018-03-20

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新浪科技2018-03-20

3月20日消息,据国外媒体报道,美国亚利桑那州大学一支科学家小组设计了一个“进化即时回放开关”,这种技术叫做“祖先基因复活”,他们将远古基因插入现代大肠杆菌之中。这为研究人员提供一次又一次的观察进化机会,有助于了解生命在早期地球是如何进化的,以及它们如果在其它星球上存活,会是什么模样。

研究报告作者、美国亚利桑那州大学天体生物学家贝图尔·卡查尔(Betul Kacar)说:“即使生物体历经7亿年的必要基因改造,它们的身体机能仍然可以正常运转。这项研究是一个概念验证,下一个问题是:未来我们还能走多远?我们是否期待基因序列进化,并实现相同方式的功能性?因为基因序列相似性并不意味着基因功能是相同的。”

卡查尔和同事将这项研究报告发表在《分子进化杂志》上,1989年,著名进化生物学家斯蒂芬·古尔德(Stephan J。 Gould)提出一个构思实验:如果你让时光倒流,让进化再发生一次,最终的结果会是我们所知道的地球类似生命吗?

卡查尔
卡查尔建立了6种不同种类的混合大肠杆菌,然后在实验室里培育了2000代,每一个细菌种群都为进化提供了一个潜在的新结果。

几十年以来,“回放生命磁带(replaying life‘s tape)”观点只不过是一种理论问题和素材,在科学家之间产生无休止的争辩。他们争辩的核心是机会和决定论之间的张力,从而试图理解一个有机体的历史进化如何约束其未来发展。

DNA重组技术的发展,是从一个有机体提取基因并插入另一个有机体的基因组,这将为研究人员解答古尔德的实验性问题提供重要线索。卡查尔和她的博士后导师——乔治亚理工学院埃里克·高彻尔(Eric Gaucher)完成一项美国宇航局投资的科研项目,在实验室将大肠杆菌反复进化。他们并非从零开始进化大肠杆菌,而是重新进化出一种特殊关键蛋白质,这种蛋白质是大肠杆菌赖以生存的。

制造蛋白质的一种古老工具

2008年,卡查尔重建了一种5亿年进化历史的重要细菌基因序列——延伸因子(EF-Tu),它将帮助氨基酸组成完整成形的蛋白质,延伸因子出现在寒武纪大爆发之后不久,当时生命形成生长,并变得更加复杂。作为一种核糖体蛋白,它位于细胞中心位置,它依赖于蛋白质机能来维持存在。

远古延伸因子不同于大肠杆菌中的现代副本,由于大肠杆菌生存无法离开延伸因子,卡查尔的第一个任务是观察是否这种古老基因能在现代大肠杆菌中发挥作用,她使用一个古老的基因版本取代了大肠杆菌两份延伸因子,并期待实验结果。

卡查尔说:“这个基因有点儿像里普·万·温克尔(美国作家欧文作品中的人物名)——当他周围的事物发生变化时,温克尔也会发生改变。”

这种远古-现代混合体细菌能够生长,当测量该细菌生长速度时,发现其“时间跨越”是以进化适应性下降三分之二作为代价的。随着进化适应性的显著下降,达尔文进化论得到了验证,并开始修补细菌中数千个基因。卡查尔建立了6种不同种类的混合细菌,然后在实验室里培育了2000代,每一个细菌种群都为进化提供了一个潜在的新结果。

在所有大肠杆菌实验种群中,有一种大肠杆菌种群以插入的延伸子因子相同方式发生进化,而不是改变延伸因子,该细胞增加了延伸因子蛋白质的数量,以应对功能性衰减。研究人员指出,大肠杆菌有数百万种解决方案,但它们最有可能选择一种,卡查尔将增大低级蛋白质产量的方式称为“生物体的应急系统”。尽管其过程较为简单,但是发生了进化改变,增加了远古延伸因子,有助于恢复细菌的适应性。

但并不意味着这是唯一可行的解决方案,卡查尔开始实验时仅有6种不同的大肠杆菌。在野生生存环境,自然选择能够塑造数百万种不同生物体后代,同时,某种生物经历2000代繁殖,仅是其进化历史中很短暂的一刻。由于所有6种大肠杆菌都在该解决方案中发生变化,卡查尔认为,增大不匹配蛋白质数量可能是一种临时性措施,直到有更好的突变出现。

卡查尔在进行实验。
美国亚利桑那州大学天体生物学家贝图尔·卡查尔在进行实验。

扩大研究范围

卡查尔继续生长她的细菌种群,以观察了解下一步将会发生什么进化。同时,她也开始进行类似实验,将蓝藻细菌和蛋白质中心(其中包括二磷酸核酮糖羧化酶)发生光合作用,该过程能将二氧化碳转换为葡萄糖。她进行的二磷酸核酮糖羧化酶实验曾在《天体生物学》杂志中报道过。

卡查尔指出,这项研究的重要性并非仅与地球生命有关。她在《天体生物学》杂志中表示,知晓生命是否受到其原始材料的约束限制,可以告诉科学家其它星球上生命体是如何生命的。古老基因复活也可能告诉科学家未来生命如何在气候变化中幸存,以及其它人为性变化。

她说:“这项研究通过结合合成生物学和进化生物学,有助于我们理解生命极限。通过这种方式,我们可以解决天体生物学中有关生命分布的更多问题。”

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