Nature：三步走，獲得新功能

來自密歇根州立大學的一個研究人員小組證實生物體在一步一步的過程中進化出了新功能。研究結果發布在最新一期（9月20號）的《自然》（Nature）雜志上，通過全面深入、以基因組學為基礎的分析譯解了大腸桿菌是怎樣想出如何利用一個額外的檸檬酸過程來補充常規的葡萄糖飲食的。

密歇根州立大學進行中進化研究BEACON 中心博士后研究人員Zachary Blount 說：“它相當漂亮地看到了一個新生物功能的進化。第一個檸檬酸鹽食者只能勉強在檸檬酸上生長，隨著時間它們變得越來越好。我們想了解使細菌進化出這一新能力的改變。我們幸運地獲得了一個系統允許我們這樣做。”

當存在氧時正常大腸桿菌不能消化檸檬酸。事實上，這是大腸桿菌的一個顯著的特征。因為大腸桿菌不能表達適當的蛋白來吸收檸檬酸分子，因而它們不能食用檸檬酸。

為了破譯負責的突變，Blount與密西根州立大學著名的微生物學和分子遺傳學教授Richard Lenski一起展開了合作。Lenski自1988年起長期開展試驗，培育快速增長的大腸桿菌培養物。他和他的隊友們研究了超過5.6萬代細菌的進化。

該試驗證實自然選擇起了作用。由于樣品被凍存，可提供給以后的研究，當有新東西出現時科學家們能夠追溯更早的一代尋找沿著一路發生的步驟。

Lenski解釋說：“我們第一次看到檸檬酸利用細菌在大約3.3萬代。但是Zack通過重演來自不同中間階段的進化證實一些重要的突變在此之前就已經發生。他證實你可以再進化檸檬酸食者，但只有在拼圖的其他一些碎片處在適當位置之后。”

在Nature論文中，Blount和他的隊友們分析了來自不同代的29個基因組發現了拼圖的突變碎片。他們揭示了細菌形成這一能力的三步過程。

第一個階段是增強作用，此時大腸桿菌累積至少兩個突變為后續事件打好基礎。第二步是實現，細菌首先開始食用檸檬酸，但只能勉強輕咬一點。最后一個階段是完善，有關的突變大大地提高了最初薄弱的功能。這使得檸檬酸食者能夠狼吞虎咽它們的新食物資源，成為種群中的優勢者。

Blount 說：“我們尤其對實現階段感到興奮。實際有關的突變是相當復雜的。它重排了細菌的部分DNA，生成了從前沒有的新調控模塊。這一新模塊導致生成了一種蛋白質，使得細菌能夠在有氧時將檸檬酸帶到細胞中。這是大腸桿菌的新把戲。”

這一變化是很不正常的，Lenski說。

他說：“這根本不是一種典型的突變。基因組中并非只有一個堿基對、一個堿基被改變，而是部分的基因組被復制以致兩個DNA組塊以一種新方式組合到了一起。一個組塊編碼一種使檸檬酸進入細胞的蛋白，另一個組塊引起該蛋白質表達。”