蛋白質(zhì)不僅僅是飲食要求。這種多樣的分子幾乎為生物體內(nèi)的所有細胞操作提供動力?？茖W家可能知道蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)或其功能，但并不總是能夠?qū)⑦@兩者聯(lián)系起來。“生物學中的一個大問題是蛋白質(zhì)如何做它的作用。我們認為答案取決于蛋白質(zhì)的進化，”伊利諾伊大學教授兼生物信息學家Gustavo Caetano-Anollés說。

地質(zhì)學家發(fā)現(xiàn)，數(shù)十億年前的巖石中殘留著生命殘余。在某些情況下，微生物和組織的保存非常好，可以檢測到曾經(jīng)與特定蛋白質(zhì)相關(guān)的微觀細胞結(jié)構(gòu)。這種地質(zhì)記錄使科學家們在相當長的時間內(nèi)與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的進化歷史隱藏起來。但是，直到現(xiàn)在，與現(xiàn)在相比，并不總是能夠?qū)⒐δ芘c這些結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，以了解蛋白質(zhì)在數(shù)十億年前在細胞中的表現(xiàn)。

“這是我們第一次追溯到生物網(wǎng)絡(luò)，”Caetano-Anollés指出。

Caetano-Anollés和研究生Fayez Aziz和Kelsey Caetano-Anollés使用網(wǎng)絡(luò)研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和分子功能之間的聯(lián)系。他們在地質(zhì)記錄中建立了跨越38億年的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)時間表，但需要一種方法將結(jié)構(gòu)與其功能聯(lián)系起來。為此，他們研究了數(shù)百種生物的基因組成。

“事實證明，隨著時間的推移，我們的基因中幾乎沒有片段，這些片段非常難以保存，”Caetano-Anollés說。“而且不只是在人類基因組中。當我們看到高等生物，如植物，真菌和動物，以及細菌，古細菌和病毒時，相同的片段總是在那里。我們一遍又一遍地看到它們。”

研究小組發(fā)現(xiàn)，這些微小的基因片段會讓蛋白質(zhì)產(chǎn)生“環(huán)”，這是蛋白質(zhì)中最微小的結(jié)構(gòu)單元。當環(huán)路結(jié)合在一起時，它們會產(chǎn)生活性位點或分子袋，從而賦予蛋白質(zhì)功能。例如，血紅蛋白，即在血液中攜帶氧的蛋白質(zhì)，具有兩個環(huán)，其產(chǎn)生結(jié)合氧的活性位點。環(huán)結(jié)合起來產(chǎn)生更大的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，稱為結(jié)構(gòu)域。

值得注意的是，新的研究表明，循環(huán)已被反復招募以執(zhí)行新功能，并且該過程自生命開始以來一直活躍和持續(xù)。“這種招募對于理解生物多樣性非常重要，”Caetano-Anollés說。該研究的一個重要方面涉及域結(jié)構(gòu)和功能環(huán)之間的實際聯(lián)系。研究人員發(fā)現(xiàn)，這種聯(lián)系的特點是一種意外的屬性，這種屬性在時間上展開，這是一種稱為分層模塊化的“緊急”屬性。

“循環(huán)是有凝聚力的模塊，域，蛋白質(zhì)，細胞，器官和身體也是如此。” Caetano-Anollés解釋道。“我們都是由具有凝聚力的模塊組成的，包括我們的人體。這是層次結(jié)構(gòu)的模塊化：將小的有凝聚力的部分構(gòu)建成更大，越來越復雜的整體。”

分層模塊化也存在于人造網(wǎng)絡(luò)中，例如互聯(lián)網(wǎng)。例如，每個路由器代表一個“信息”，它將信息推送到不同的計算機。當數(shù)百萬臺計算機在線互相交互時，會出現(xiàn)更大，更復雜的實體。Caetano-Anollés認為，人造網(wǎng)絡(luò)的演變可以像生物網(wǎng)絡(luò)的演化一樣進行映射。

“從計算機科學的角度來看，很少有人一直在探索如何及時跟蹤網(wǎng)絡(luò)。想象一下，當新的路由器被添加，斷開連接或相互聯(lián)網(wǎng)時，互聯(lián)網(wǎng)如何發(fā)展和變化。這是一項艱巨的任務(wù)，因為那里數(shù)百萬臺路由器需要跟蹤，互聯(lián)網(wǎng)通信可以是高度動態(tài)的。在我們的研究中，我們展示了如何通過一個非常小的網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)它，“Caetano-Anollés解釋道。

Caetano-Anollés及其團隊開發(fā)的方法現(xiàn)在有可能解釋變化如何構(gòu)建系統(tǒng)，如互聯(lián)網(wǎng)，社交網(wǎng)絡(luò)或生物體中所有蛋白質(zhì)的集合。