基因工程揭示了古代进化问题

蓝藻是一种从光中获取能量的单细胞生物, 利用光合作用将大气中的二氧化碳(CO2)和液态水(H2O)转化为可呼吸的氧气和构成细胞的蛋白质等碳基分子. 蓝藻是地球历史上最早进行光合作用的生物, 是早期地球充满氧气的原因, 从而对生命的进化产生了重大影响.

地质测量表明，30亿年前早期地球的大气可能富含二氧化碳, 远远高于目前人为气候变化造成的水平, 这意味着古代蓝藻有很多东西可以“吃”.“但在地球几十亿年的历史中, 大气中的二氧化碳浓度下降了, 为了生存, 这些细菌需要进化出新的策略来提取二氧化碳. 因此，现代蓝藻看起来与它们的古代祖先大不相同, 并且拥有一个复合体, 一组脆弱的结构，称为二氧化碳浓缩机制(CCM)，以补偿较低的二氧化碳浓度.

现在, 澳门官方老葡京的新研究揭示了CCM是如何进化的, 解决了进化地球生物学领域一个长期存在的谜团. 这项新研究采用遗传技术来模拟现代生物的古代祖先, 使研究人员能够系统地对不同版本的细菌进行实验，并揭示可能的进化途径.

这项研究是由澳门官方老葡京地理生物学教授的实验室合作进行的 伍德沃德费舍尔 大卫·萨维奇, 加州大学伯克利分校和霍华德休斯医学研究所的分子生物学副教授. 它出现在杂志上 美国国家科学院院刊.

“这是研究地球历史的一种新兴方法，”费舍尔说. “我们可以在实验室里改造现代生物体, 让我们可以通过严格的实验室实验来测试它的进化轨迹."

蓝藻在一种叫做rubisco的酶的帮助下“吃”二氧化碳. 二磷酸核酮糖羧化酶是, 简单地说, 不是很擅长工作——行动缓慢, 并倾向于与其他分子而不是二氧化碳反应. This is not an issue for cyanobacteria when in an environment with high concentrations of CO2; rubisco can be inefficient and the bacteria can still have enough CO2 to metabolize. 但因为大气中的二氧化碳含量在数十亿年里下降了很多, 现代蓝藻已经进化出一种CCM来浓缩细菌体内的二氧化碳，提高rubisco的效率.

CCM让进化生物学家感到困惑，因为它们非常微妙——改变20个编码CCM各部分的基因中的任何一个都会导致整个结构失效.

“我们认为进化是循序渐进的, 每个新基因都添加了一些新功能,阿维·弗朗霍兹说, 澳门官方老葡京博士后学者，这篇新论文的主要作者. “例如, 现代人眼的远古祖先并不具备人眼的所有功能, 但可能会探测到某种形式的光. 用CCM, 没有一条清晰的路径表明它们是如何进化到今天的复杂性的."

在这项新的研究中，研究小组开始对CCM结构可能的古代迭代进行建模. 为此，他们进行了基因改造 大肠杆菌 细菌需要二氧化碳来进行新陈代谢. 因为我们有现成的基因工具 E. 杆菌 在实验室中，使用这个模型系统比使用蓝藻本身更容易处理. 然后这个团队设计了 E. 杆菌 具有组成CCM的20个基因的菌株, 系统地添加, 删除, 并调整了基因，以模拟CCM结构的所有可能的进化轨迹.

以这种方式, Flamholz和他的团队发现，实际上有几种生物上可行的轨迹导致了复杂的现代CCM的出现.

“这些结果突出了全球变化与地球生物圈进化之间无处不在的对话,费舍尔说。. “随着二氧化碳变得越来越稀缺, 蓝藻能够创造出一种非凡的生化解决方案."

这篇文章的标题是细菌二氧化碳浓缩机制的进化轨迹.“除了Flamholz和Fischer，合著者还有Eli Dugan, John Desmarais, Luke Oltrogge，

大卫·萨维奇 of the University of California Berkeley; and Justin Panich and Steven Singer of Lawrence Berkeley National Laboratory. 研究经费由美国国家科学基金会提供, 戈登和贝蒂·摩尔基金会, Kavli基金会, 施瓦茨/赖斯曼合作科学项目, 美国能源部, 荷兰皇家壳牌能源与生物科学研究所.