細(xì)菌和古菌是生命的三個(gè)領(lǐng)域中的兩個(gè)。兩者都必須從推定的最后普遍共同祖先(LUCA)演變而來(lái)。一種假設(shè)是，這是因?yàn)長(zhǎng)UCA中的細(xì)胞膜是脂質(zhì)的不穩(wěn)定混合物?，F(xiàn)在，格羅寧根大學(xué)和瓦赫寧根大學(xué)的科學(xué)家用混合膜創(chuàng)造了這樣一種生命形式，并發(fā)現(xiàn)它實(shí)際上是穩(wěn)定的，駁斥了這一假設(shè)。結(jié)果將于3月19日發(fā)表在“美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊”上。

關(guān)于細(xì)胞生命如何在數(shù)十億年前發(fā)展出來(lái)的想法有很多。原始細(xì)胞可能是由粘土礦物質(zhì)形成的，或者是簡(jiǎn)單的脂質(zhì)囊泡。格羅寧根大學(xué)分子微生物學(xué)教授阿諾德·德里森解釋說(shuō)，在后一種情況下，會(huì)出現(xiàn)一種叫做“脂質(zhì)分裂”的東西，形成細(xì)菌和古細(xì)菌的獨(dú)立區(qū)域。“兩個(gè)結(jié)構(gòu)域的脂質(zhì)膜都是不同的，由磷脂組成，這些磷脂是彼此的鏡像。”

混合膜

在技??術(shù)術(shù)語(yǔ)中，細(xì)菌膜中的脂質(zhì)由直鏈脂肪酸組成，所述直鏈脂肪酸與甘油-3-磷酸的主鏈酯連接。但古細(xì)菌膜中的脂質(zhì)具有甘油-1-磷酸的主鏈，類(lèi)異戊二烯通過(guò)醚鍵連接。

脂質(zhì)分裂背后的想法是細(xì)菌和古細(xì)菌的共同祖先具有細(xì)胞膜，其中兩種類(lèi)型的脂質(zhì)混合。“這種混合膜不如僅僅一種磷脂的均質(zhì)膜穩(wěn)定，因此最終發(fā)生分裂，導(dǎo)致細(xì)菌和古細(xì)菌的兩個(gè)結(jié)構(gòu)域，”Driessen說(shuō)。

所有這一切都發(fā)生在35億年前，因此缺乏確鑿的證據(jù)。因此，Driessen和他的同事們決定用混合膜對(duì)一個(gè)微生物進(jìn)行“逆向工程”。“這已經(jīng)嘗試過(guò)了，但是這些實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致細(xì)菌只有非常少量(<1%)的古細(xì)菌脂質(zhì)。”

然而，在新研究中，這一比例增加到30%。兩項(xiàng)關(guān)鍵突破使這成為可能：“在之前的研究中，我們發(fā)現(xiàn)了一種對(duì)古菌膜脂質(zhì)生產(chǎn)至關(guān)重要的酶。這需要三個(gè)步驟，在此之前，只有兩種酶是已知的。”Driessen解釋說(shuō)，另一項(xiàng)突破來(lái)自瓦赫寧根大學(xué)的科學(xué)家。“他們?cè)O(shè)法增加了細(xì)菌大腸桿菌中類(lèi)異戊二烯的產(chǎn)生。”類(lèi)異戊二烯是一種普遍存在的有機(jī)化合物，包括許多天然香料，色素或香料。

這兩項(xiàng)發(fā)現(xiàn)都轉(zhuǎn)移到了正常的大腸桿菌中，這是基因工程的一項(xiàng)重大成就。“我們不知道最終結(jié)果是否是一個(gè)可行的細(xì)胞，”Driessen說(shuō)。但最終，它運(yùn)作良好。通過(guò)一些微調(diào)，科學(xué)家們創(chuàng)造了一種細(xì)胞，其中所有磷脂酰甘油，即形成細(xì)菌膜基本雙層的脂質(zhì)，被其古菌等效物(古細(xì)菌甘油)取代。這占膜中脂質(zhì)的30%。“這種細(xì)菌以正常速度生長(zhǎng)并且穩(wěn)定，”Driessen說(shuō)。“因此，這一結(jié)果并不支持這樣一種假設(shè)，即混合膜本質(zhì)上是不穩(wěn)定的，因此可能產(chǎn)生脂質(zhì)分裂。”

Driessen指出，用于膜脂質(zhì)生產(chǎn)的古細(xì)菌酶在它們催化的反應(yīng)中比它們的細(xì)菌等同物更不特異。“它們似乎更”原始“。因此，酶特異性的進(jìn)化可能是分裂的驅(qū)動(dòng)因素。”當(dāng)然，還有一個(gè)重要的警告 - 實(shí)驗(yàn)是在現(xiàn)代大腸桿菌中進(jìn)行的，這些細(xì)菌已經(jīng)進(jìn)化了35億年，超過(guò)了原始的古細(xì)菌分裂。

“這些混合細(xì)胞的穩(wěn)健性使我們感到驚訝。我們期待更多的問(wèn)題讓它們保持活力。畢竟，我們所設(shè)計(jì)的東西確實(shí)構(gòu)成了新的生命形式。”工程細(xì)胞比原始大腸桿菌更長(zhǎng)。當(dāng)古菌脂質(zhì)的產(chǎn)量非常高時(shí)，生長(zhǎng)減慢并且膜形成小葉附屬物。

除了進(jìn)化的影響，這一發(fā)現(xiàn)可能會(huì)產(chǎn)生新的研究：“例如，我們可以設(shè)計(jì)一種古細(xì)菌膜蛋白的細(xì)菌表達(dá)系統(tǒng)，例如那些在極高溫度和壓力下生長(zhǎng)的超嗜熱菌產(chǎn)生的細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)。”

兩所荷蘭大學(xué)的工作是起源中心的一部分，該中心是一個(gè)致力于研究地球上生命起源的國(guó)家計(jì)劃。