當(dāng)談到改變他們的密碼時，細(xì)菌就像你和我一樣糟糕 - 甚至可能更糟。卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的一個研究小組發(fā)現(xiàn)，盡管有27億年的進(jìn)化，細(xì)菌仍然使用相同的“密碼”來啟動制造孢子的過程。他們的研究結(jié)果發(fā)表在9月的PLOS遺傳學(xué)雜志上。

由生物科學(xué)部Dannie Durand領(lǐng)導(dǎo)的卡內(nèi)基梅隆研究人員利用計(jì)算和實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究導(dǎo)致芽孢桿菌和梭菌形成孢子的信號網(wǎng)絡(luò)如何發(fā)展，因?yàn)檫@兩種細(xì)菌從27億年前的共同祖先分離出來。

當(dāng)時間艱難時，細(xì)菌會產(chǎn)生孢子。在休眠細(xì)胞周圍形成保護(hù)殼，使其能夠承受諸如熱，酸和輻射等惡劣條件。了解孢子形成對許多領(lǐng)域都有影響，包括醫(yī)療保健。例如，艱難梭菌的孢子可以在洗手液中存活，使該細(xì)菌成為醫(yī)院獲得性感染的主要原因。

細(xì)菌使用“即插即用”信號網(wǎng)絡(luò)來感知和應(yīng)對環(huán)境挑戰(zhàn)。傳感器蛋白識別環(huán)境信號并將信息傳遞給激活蛋白，該激活蛋白打開適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。每個傳感器 - 激活器對都有一組特定的氨基酸，就像密碼一樣，可以確保傳感器將信息傳遞給正確的激活器。

在孢子形成網(wǎng)絡(luò)的情況下，傳感器蛋白識別環(huán)境威脅并警告控制孢子形成的激活蛋白。通過將新傳感器集成到孢子形成網(wǎng)絡(luò)中，信號網(wǎng)絡(luò)的即插即用特性使細(xì)菌很容易適應(yīng)不斷變化的世界。識別新挑戰(zhàn)的傳感器可以打開孢子形成，只要它具有孢子形成激活劑的密碼即可。

先前的研究表明，在某些經(jīng)過充分研究的芽孢桿菌和梭菌屬物種中，激活孢子形成的蛋白質(zhì)非常相似，但傳遞信息的信號網(wǎng)絡(luò)則不然。在丙酮丁醇梭菌中，孢子形成信號傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)由兩種蛋白質(zhì)組成：傳感器和激活劑。在枯草芽孢桿菌中，網(wǎng)絡(luò)由四種蛋白質(zhì)組成：信息在到達(dá)活化劑之前從傳感器通過兩種中間蛋白質(zhì)。這提出了一個問題 - 進(jìn)化如何產(chǎn)生不同的網(wǎng)絡(luò)，以達(dá)到相同的結(jié)果?

人們認(rèn)為共同的祖先有簡單的雙蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)。研究人員假設(shè)Bacillar孢子形成網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)化過程中獲得了兩種蛋白質(zhì)，導(dǎo)致我們今天在Bacilli中看到的四種蛋白質(zhì)形式。梭菌屬繼續(xù)使用雙蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)。使用標(biāo)準(zhǔn)序列比較方法難以測試該假設(shè)，所述標(biāo)準(zhǔn)序列比較方法不能將一個信號網(wǎng)絡(luò)與另一個信號網(wǎng)絡(luò)區(qū)分開。

Durand及其同事通過開發(fā)一種結(jié)合序列相似性，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域含量和相鄰基因的目標(biāo)計(jì)算方法來克服這一障礙，以找到參與孢子形成信號網(wǎng)絡(luò)的基因。當(dāng)他們將這種方法應(yīng)用于28個Bacillar基因組和56個梭菌基因組時，他們發(fā)現(xiàn)了在Bacilli中編碼四種孢子形成網(wǎng)絡(luò)蛋白的基因，如預(yù)期的那樣。令人驚訝的是，他們還在許多梭菌基因組中發(fā)現(xiàn)了所有四種基因。

這推翻了流行的理論，揭示了共同的祖先必須擁有四蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)。這意味著隨著時間的推移，一些梭菌進(jìn)化成使用更簡單的雙蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)。

“令人驚訝的是，因?yàn)閭鹘y(tǒng)上我們認(rèn)為進(jìn)化從簡單到復(fù)雜，”杜蘭德說。“但是，從復(fù)雜到簡單的另一個方向，有越來越多的進(jìn)化的例子。”

為了更好地理解這些變化，研究合著者Philip Davidson在試管中構(gòu)建了人工四蛋白網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)都有四種蛋白質(zhì)孢子形成網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)的不同組合。他能夠用來自梭菌四蛋白網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)蛋白替換Bacillar四蛋白孢子形成網(wǎng)絡(luò)中的任何蛋白質(zhì)，反之亦然，并且活化劑仍然得到了信息。這表明Clostridia和Bacilli仍然使用與其生活在27億年前的祖先相同的密碼。

“這就像你的家庭無線網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)你第一次拿到它時，你設(shè)置了一個密碼，并把它放在你的所有無線設(shè)備中。多年來，你有新的電腦和智能手機(jī)，或者有訪客需要使用無線如果您更改了密碼，舊設(shè)備將無法正常工作，這將是一件麻煩事。因此，您繼續(xù)使用舊密碼確保每個人仍然可以訪問系統(tǒng)，“杜蘭德說。“菲利普的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)我們改變密碼時，梭菌和芽孢桿菌會陷入同樣的??困境。”