微生物膜幫助其在極端環(huán)境中生存

在溫泉、火山口和深海熱液噴口等惡劣環(huán)境中——大多數(shù)生命形式都不適合居住——微生物正在蓬勃發(fā)展。最近怎么樣？這就是他們包裝自己的方式。

斯坦福大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種蛋白質(zhì)，可以幫助這些生物形成保護(hù)性的脂質(zhì)相關(guān)細(xì)胞膜，這是抵御極端酸性棲息地的關(guān)鍵。

科學(xué)家們已經(jīng)知道，這群被稱為古細(xì)菌的微生物被一層由不同化學(xué)成分組成的膜所包圍，而不是細(xì)菌、植物或動物。他們一直認(rèn)為這可能是在極端棲息地提供保護(hù)的東西。研究小組通過鑒定在酸硫龍蝦物種中產(chǎn)生異常膜結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，直接證明了這一想法。

一些生物膜結(jié)構(gòu)保留在化石記錄中，可以用作分子化石或生物標(biāo)志物，這暗示了它們很久以前就生活在環(huán)境中。例如，尋找保存的膜脂可以指示生物何時進(jìn)化，它可能是環(huán)境的環(huán)境。展示如何創(chuàng)造這種保護(hù)膜可以幫助研究人員在未來了解其他分子化石，并為地球上生命的進(jìn)化提供新的證據(jù)。研究結(jié)果發(fā)表在12月3日的《美國國家科學(xué)院院刊》上。

斯坦福大學(xué)地球、能源和環(huán)境科學(xué)學(xué)院地球系統(tǒng)科學(xué)助理教授Paula Welander說：“我們的模型是，這種生物進(jìn)化出了制造這些膜的能力，因?yàn)樗钤谒岫炔粩嘧兓沫h(huán)境中。”(斯坦福土地)?！斑@是我們第一次將一些脂質(zhì)與古細(xì)菌的環(huán)境條件聯(lián)系起來?！?

稀有化學(xué)

研究發(fā)現(xiàn)，嗜酸乳桿菌中的溫泉，如黃石國家公園中溫度超過200華氏度的溫泉，可能具有波動的酸度。這種生物也存在于火山口、深海熱液噴口和其他中低溫的酸性環(huán)境中。

韋蘭德開始研究這種微生物，因?yàn)樗邢∮械幕瘜W(xué)物質(zhì)，包括它不尋常的脂質(zhì)膜。與植物和真菌不同，古細(xì)菌不產(chǎn)生纖維素的保護(hù)性外壁，它們的膜不含有與細(xì)菌相同的化學(xué)物質(zhì)。她說，在實(shí)驗(yàn)于2006年停止之前，科學(xué)家們已經(jīng)探索了大約10年，這個物種是如何產(chǎn)生其不尋常的膜的。

“我想我們已經(jīng)忘記了有些事情還沒有完成——自從我進(jìn)入地球生物世界以來，我發(fā)現(xiàn)了很多東西，”韋蘭德說?！澳抢镉泻芏鄦栴}，我們只需要基礎(chǔ)知識，比如‘蛋白質(zhì)這是干什么的？這個膜結(jié)構(gòu)真的能做到我們所說的嗎？"

根據(jù)以前對古細(xì)菌的研究，Welander和他的團(tuán)隊(duì)知道這些生物會產(chǎn)生一種含有環(huán)狀分子的膜，稱為calditol。該組織認(rèn)為，這種分子可能是該物種抵御其他生物死亡環(huán)境能力的基礎(chǔ)。

為了找到答案，他們首先通過了嗜酸乳桿菌的基因組，并確定了三個可能參與鈣離子產(chǎn)生的基因。然后他們一個接一個地變異這些基因，以消除這些基因產(chǎn)生的任何蛋白質(zhì)。該實(shí)驗(yàn)揭示了一種基因，當(dāng)發(fā)生突變時，會產(chǎn)生膜中缺乏鈣離子的嗜酸乳桿菌。這種突變生物可以在高溫下生長，但在高酸性環(huán)境下會枯萎，這表明蛋白質(zhì)是制造異常膜和承受酸性所必需的。

這項(xiàng)工作尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)轫f蘭德的實(shí)驗(yàn)室必須復(fù)制微生物生長的高溫和酸性條件。她說，她實(shí)驗(yàn)室的大多數(shù)孵化器只能達(dá)到體溫，所以第一作者、韋蘭德實(shí)驗(yàn)室博士后研究員曾志瑞想出了如何用一個特殊的小烤箱來模仿一個有機(jī)體的家。

“這真的很酷，”韋蘭德說。"我們做了許多嘗試來找出化學(xué)反應(yīng)."

人生的第三個領(lǐng)域

韋蘭德說，這項(xiàng)工作不僅僅是尋找一種蛋白質(zhì)。她的研究探索了當(dāng)今微生物中發(fā)現(xiàn)的脂質(zhì)，目的是了解地球的歷史，包括古代氣候事件、大滅絕和進(jìn)化轉(zhuǎn)變。但是在科學(xué)家能夠解釋進(jìn)化特征之前，他們需要了解基礎(chǔ)知識，比如如何創(chuàng)造新的脂質(zhì)。

古細(xì)菌有時被稱為“生命的第三領(lǐng)域”，其中一個領(lǐng)域是細(xì)菌，另一個領(lǐng)域是植物和動物——統(tǒng)稱為真核生物。古細(xì)菌包括地球上一些最古老和最豐富的生命形式，沒有它們，生態(tài)系統(tǒng)將會崩潰。古細(xì)菌是一種特殊的異常微生物，由于其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)，總有一天會與細(xì)菌混淆，與下一代植物或動物相似。

這項(xiàng)研究特別有趣，因?yàn)楣派飳W(xué)的分類仍然受到分類學(xué)家的爭議。經(jīng)過20世紀(jì)70年代基因測序的發(fā)展，在過去的二十年里，它們只是從細(xì)菌和真核生物領(lǐng)域中分離出來。

“關(guān)于古生物學(xué)的一些差異，比如類脂，”韋蘭德說。“古細(xì)菌現(xiàn)在是一個很大的研究領(lǐng)域，因?yàn)樗鼈兪俏覀兿胍獙W(xué)習(xí)和了解的不同領(lǐng)域——而且它們非?？??！?

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