“複活祖先基因”:有助於揭曉外星生命真面目
2018年03月20日08:07

  新浪科技訊 北京時間3月20日消息,據國外媒體報導,美國亞利桑那州大學一支科學家小組設計了一個“進化即時回放開關”,這種技術叫做“祖先基因複活”,他們將遠古基因插入現代大腸杆菌之中。這為研究人員提供一次又一次的觀察進化機會,有助於瞭解生命在早期地球是如何進化的,以及它們如果在其它星球上存活,會是什麼模樣。

  研究報告作者、美國亞利桑那州大學天體生物學家貝圖爾・卡查爾(Betul Kacar)說:“即使生物體曆經7億年的必要基因改造,它們的身體機能仍然可以正常運轉。這項研究是一個概念驗證,下一個問題是:未來我們還能走多遠?我們是否期待基因序列進化,並實現相同方式的功能性?因為基因序列相似性並不意味著基因功能是相同的。”

  卡查爾和同事將這項研究報告發表在《分子進化雜誌》上,1989年,著名進化生物學家斯蒂芬・古爾德(Stephan J。 Gould)提出一個構思實驗:如果你讓時光倒流,讓進化再發生一次,最終的結果會是我們所知道的地球類似生命嗎?

卡查爾建立了6種不同種類的混合大腸杆菌,然後在實驗室里培育了2000代,每一個細菌種群都為進化提供了一個潛在的新結果。
卡查爾建立了6種不同種類的混合大腸杆菌,然後在實驗室里培育了2000代,每一個細菌種群都為進化提供了一個潛在的新結果。

  幾十年以來,“回放生命磁帶(replaying life‘s tape)”觀點只不過是一種理論問題和素材,在科學家之間產生無休止的爭辯。他們爭辯的核心是機會和決定論之間的張力,從而試圖理解一個有機體的歷史進化如何約束其未來發展。

  DNA重組技術的發展,是從一個有機體提取基因並插入另一個有機體的基因組,這將為研究人員解答古爾德的實驗性問題提供重要線索。卡查爾和她的博士後導師――喬治亞理工學院埃里克・高徹爾(Eric Gaucher)完成一項美國宇航局投資的科研項目,在實驗室將大腸杆菌反複進化。他們並非從零開始進化大腸杆菌,而是重新進化出一種特殊關鍵蛋白質,這種蛋白質是大腸杆菌賴以生存的。

  製造蛋白質的一種古老工具

  2008年,卡查爾重建了一種5億年進化歷史的重要細菌基因序列――延伸因子(EF-Tu),它將幫助氨基酸組成完整成形的蛋白質,延伸因子出現在寒武紀大爆發之後不久,當時生命形成生長,並變得更加複雜。作為一種核糖體蛋白,它位於細胞中心位置,它依賴於蛋白質機能來維持存在。

  遠古延伸因子不同於大腸杆菌中的現代副本,由於大腸杆菌生存無法離開延伸因子,卡查爾的第一個任務是觀察是否這種古老基因能在現代大腸杆菌中發揮作用,她使用一個古老的基因版本取代了大腸杆菌兩份延伸因子,並期待實驗結果。

  卡查爾說:“這個基因有點兒像里普・萬・溫克爾(美國作家歐文作品中的人物名)――當他周圍的事物發生變化時,溫克爾也會發生改變。”

  這種遠古-現代混合體細菌能夠生長,當測量該細菌生長速度時,發現其“時間跨越”是以進化適應性下降三分之二作為代價的。隨著進化適應性的顯著下降,達爾文進化論得到了驗證,並開始修補細菌中數千個基因。卡查爾建立了6種不同種類的混合細菌,然後在實驗室里培育了2000代,每一個細菌種群都為進化提供了一個潛在的新結果。

  在所有大腸杆菌實驗種群中,有一種大腸杆菌種群以插入的延伸子因子相同方式發生進化,而不是改變延伸因子,該細胞增加了延伸因子蛋白質的數量,以應對功能性衰減。研究人員指出,大腸杆菌有數百萬種解決方案,但它們最有可能選擇一種,卡查爾將增大低級蛋白質產量的方式稱為“生物體的應急系統”。儘管其過程較為簡單,但是發生了進化改變,增加了遠古延伸因子,有助於恢復細菌的適應性。

  但並不意味著這是唯一可行的解決方案,卡查爾開始實驗時僅有6種不同的大腸杆菌。在野生生存環境,自然選擇能夠塑造數百萬種不同生物體後代,同時,某種生物經曆2000代繁殖,僅是其進化歷史中很短暫的一刻。由於所有6種大腸杆菌都在該解決方案中發生變化,卡查爾認為,增大不匹配蛋白質數量可能是一種臨時性措施,直到有更好的突變出現。

美國亞利桑那州大學天體生物學家貝圖爾?卡查爾在進行實驗。
美國亞利桑那州大學天體生物學家貝圖爾?卡查爾在進行實驗。

  擴大研究範圍

  卡查爾繼續生長她的細菌種群,以觀察瞭解下一步將會發生什麼進化。同時,她也開始進行類似實驗,將藍藻細菌和蛋白質中心(其中包括二磷酸核酮糖羧化酶)發生光合作用,該過程能將二氧化碳轉換為葡萄糖。她進行的二磷酸核酮糖羧化酶實驗曾在《天體生物學》雜誌中報導過。

  卡查爾指出,這項研究的重要性並非僅與地球生命有關。她在《天體生物學》雜誌中表示,知曉生命是否受到其原始材料的約束限製,可以告訴科學家其它星球上生命體是如何生命的。古老基因複活也可能告訴科學家未來生命如何在氣候變化中倖存,以及其它人為性變化。

  她說:“這項研究通過結合合成生物學和進化生物學,有助於我們理解生命極限。通過這種方式,我們可以解決天體生物學中有關生命分佈的更多問題。”(葉傾城)

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