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微生物膜可以帮助它在极端环境中生存

发布时间:2018-12-06 00:22:02

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在诸如温泉,火山口和深海热液喷口等恶劣环境中 - 大多数生命形式无法居住 - 微观生物正在蓬勃发展。怎么样?这就是他们如何包装自己。

斯坦福大学的研究人员已经发现了一种蛋白质,可以帮助这些生物体形成保护性的脂质相关细胞膜 - 这是抵抗极度酸性生境的关键。

科学家们已经知道,这组微生物 - 称为古细菌 - 被一种由不同化学成分组成的膜所包围,而不是细菌,植物或动物。他们长期以来假设它可能是在极端栖息地提供保护的东西。该团队通过鉴定在Sulfolobus acidocaldarius物种中产生不寻常膜结构的蛋白质直接证明了这一想法。

一些生物膜的结构保留在化石记录中,可以作为分子化石或生物标记物,留下很久以前生活在环境中的暗示。例如,寻找保存的膜脂可以暗示生物体何时进化以及它可能是环境的环境。能够展示如何创建这种保护膜可以帮助研究人员了解未来的其他分子化石,提供有关地球生命进化的新证据。结果出现在12月3日的“美国国家科学院院刊”上。

斯坦福大学地球,能源与环境科学学院地球系统科学助理教授Paula Welander说:“我们的模型是这种生物体进化出制造这些膜的能力,因为它生活在酸度变化的环境中。” (斯坦福大地)。 “这是我们第一次将部分脂质与古细菌的环境条件联系起来。”

稀有化学

发现S. acidocaldarius的温泉,例如黄石国家公园中超过200华氏度的温泉,可能会出现波动的酸度。这种生物也存在于火山口,深海热液喷口和其他具有中等和低温的酸性环境中。

Welander开始研究这种微生物,因为它含有罕见的化学物质,包括其不寻常的脂质膜。与植物和真菌不同,古菌生物不会产生纤维素的保护性外壁,它们的膜不含与细菌相同的化学物质。她说,在2006年试验停止之前,科学家已经探索了该物种如何产生其不寻常的膜约10年。

“我认为我们忘记了一些尚未完成的事情 - 自从我进入地球生物学世界以来,我一直在发现这一点,”Welander说。 “有很多问题我们只需要基本的知识,例如'这样做的蛋白质是什么?这种膜结构真的能做到我们所说的吗?'”

根据先前对古细菌的研究,Welander及其团队知道这些生物体会产生一种含有环状分子的膜,称为calditol。该组织认为这种分子可能是该物种抵御其他生物灭亡环境的能力的基础。

为了找到它们,他们首先通过S. acidocaldarius的基因组并鉴定了可能参与制造calditol的三个基因。然后他们逐个突变这些基因,消除基因产生的任何蛋白质。实验揭示了一个基因,当突变时,产生缺乏膜中的calditol的S. acidocaldarius。这种突变的生物体能够在高温下生长,但在高酸性环境中枯萎,这表明该蛋白质对于制造不寻常的膜和承受酸度都是必要的。

这项工作特别具有挑战性,因为Welander的实验室必须复制那些微生物茁壮成长的高温酸性条件。她的实验室中的大多数孵化器只能达到体温,所以主要作者,Welander实验室的博士后研究员Zhirui Zeng,想出了如何使用一个特殊的小烤箱模仿有机体的家,她说。

“这真的很酷,”韦兰德说。 “我们做了很多尝试,试图找出化学反应。”

生命的第三个领域

Welander说,这项工作不仅仅是找到一种蛋白质。她的研究探索了当今微生物中发现的脂质,目的是了解地球的历史,包括古代气候事件,大规模物种灭绝和进化过渡。但在科学家能够解释进化特征之前,他们需要了解基础知识,例如如何创造新的脂质。

古菌有时被称为“生命的第三个领域”,其中一个领域是细菌,另一个领域是植物和动物 - 统称为真核生物。古菌包括地球上一些最古老,最丰富的生命形态,没有它,生态系统就会崩溃。古细菌是特别异常的微生物,有一天与细菌混淆,并且由于其独特的分子结构而与下一代的植物或动物相似。

这项研究特别有趣,因为古生物的分类仍然受到分类学家的争论。在20世纪70年代基因测序的发展之后,它们在过去二十年中仅与细菌和真核生物结构域分离。

“有一些与古生菌有所不同的东西,如脂质,”韦兰德说。 “古细菌现在是一个很大的研究领域,因为它们是我们想学习和理解的不同领域 - 而且它们真的很酷。”

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