復活滅絕酶揭示物種進化創新功能

　　我們能生存下來，是因為我們的祖先成功地適應了所處環境的變化。但物種在進化中是如何創新的?據物理學家組織網近日報道，一個由比利時弗蘭德斯生物技術研究所(VIB)、美國哈佛大學等多個單位的研究人員組成的國際小組，通過重建一種史前酵母菌細胞的 DNA(脫氧核糖核酸)和蛋白質，直接檢查了進化的驅動力是如何通過一億年的作用，塑造了現代酶的。相關論文在線發表于《公共科學圖書館·生物學》上。

　　新基因的一個最大來源，就是已有基因在復制中的偶然變異。隨后，變異副本會不斷編碼合成最初的酶，執行它們早期的功能。酶是一種生物催化劑，讓生物能操控分子按照自己的意愿行事。雖然也有其他一些酶不必經過基因突變，也能執行新功能，但相比之下，這兩種新酶可能在更細分的功能上有所不同。

　　在進化過程中，這種創新模式已經發生過千萬次，但人們對該模式是如何發生的還不太清楚。僅考察現有生物，會限制人們對實際進化過程的理解，因為一些進化的關鍵事件會被億萬年漫長的時間所覆蓋，我們需要的是一部“時間機器”。

　　研究人員“復活”了古代酵母菌的基因，并集中研究由這些基因編碼合成的酶的進化，考察酶的進化怎樣讓酵母菌在一億年里不斷擴展它們的食物源。最初的酶讓酵母菌細胞在進化初期靠吃麥芽糖而生存，但基因復制的改變產生了新的酶，它們就有可能去吃環境中那些以前不能吃的糖。

　　“我們用測序重建算法預測了祖先遺留下來的古老基因的DNA序列，這些遺留基因從幾十個現在DNA序列中取得。由此我們能重建相應的古老蛋白質，將它們和現代蛋白質進行比較。”VIB植物系統生物學系斯蒂芬·馬利說。

　　“復活”這些酶也意味著，研究人員能構建出一幅有關該酶的詳細原子結構圖，直接測定它們分解其他糖類的能力。利用這些信息，就能推導出該酶的特性是怎樣變化的，進化怎樣使它們達到最優化。

　　“我們的研究目標非常具體，就是酵母菌怎樣進化成能分解多種糖類的。我們發現，最初的基因，也就是為那些消化麥芽糖的蛋白質編碼的基因，在進化過程中被復制了許多次，某些副本DNA有了輕微改變，導致產生了新蛋白質，能分解不同的糖類。通過模擬相應蛋白質中的這些改變，現在我們理解了DNA中一些很小的改變，也會導致全新功能的蛋白質產生。”VIB系統生物學實驗室的卡琳·沃戴科說。

　　研究人員認為，酵母細胞開拓糖源的事件，也反映了物種在進化創新中廣泛采用的一種策略。沃戴科說：“具有新功能的DNA不會憑空出現，但卻能在已有的DNA功能片斷的復制中，逐漸得到加強。通過重建史前的、曾在進化過程中被多次復制過的DNA片斷，我們能詳細考察每個副本所發生的改變，它們怎樣逐漸發展出了新功能。我們的研究提供了獨特的視角，讓人們能看到達爾文進化論的詳細分子細節。”