生物学中一些最精巧的“机器”由蛋白质构成，这些蛋白质拥有共同起源，却最终承担了截然不同的任务。这种分化如何发生，是分子进化中的核心问题。来自基尔大学、德国电子同步加速器 DESY 以及结构系统生物学中心（CSSB）的一个团队尝试按下“倒带键”来回答这一问题。在基尔大学教授、DESY 结构微生物学组负责人 Holger Sondermann 的带领下，研究人员重建了两种细菌酶的共同祖先，在实验室中制备出这种早已灭绝的蛋白质，并借此追踪不同功能如何在进化过程中形成。他们的研究发表在 Science Advances 上，为窥见分子层面的远古过去提供了罕见视角，也展示了一种研究蛋白质进化的强大策略。
两种酶，不同分工
本研究考察的两种酶都属于核酸酶家族，这类蛋白质负责分解由遗传物质化学单元构成的分子。尽管这两种酶彼此相关，但它们在细菌细胞内已占据不同的生态位。
第一种酶 NrnC 可算是“多面手”。它能够分解由两个相连 DNA 或 RNA 构件组成的小分子。第二种酶 diDNase 也执行类似反应，但已高度特化：它主要负责处理由两个 DNA 构件组成的分子。这个差异听起来或许很细微，但对细菌而言却意义重大。能够降解一种小核酸而非另一种，会影响基因调控、DNA 修复以及遗传物质的回收利用。
Sondermann 及其同事提出的科学难题，不只是这些酶今天做什么，而是如此紧密相关的蛋白质如何发展出如此不同的偏好。在漫长的进化历程中，单个氨基酸的改变就可能改变酶的形状、稳定性或活性。然而，当我们只能看到现代后代时，要追踪这条路径就十分困难。必须从现存结果反推过去，而验证这些推断最直接的方法，就是把过去重新“制造”出来。
研究活体酶的局限
这项新研究建立在 Sondermann 团队多年工作的基础上。研究人员最初采用的是常规方法：比较不同细菌中的蛋白质，以确定哪些特征在时间中被保留下来，哪些发生了变化。保守区域通常对结构或功能至关重要，而可变区域则可能解释特异性的差异。
在此前针对某个酶家族的研究中，Sondermann 团队的科学家 Sofia Mortensen 识别出一组与已知酶关系密切、但处理不同分子的蛋白质。这一发现为研究功能分化如何在一个进化关系已经清晰的家族内部发生打开了大门。显然，这些蛋白质是“同胞”，但它们在化学偏好上已渐行渐远。
团队起初尝试通过对蛋白质进行定点改造来解释这两种酶之间的差异。这是蛋白质工程中的常见做法：一次突变一个氨基酸，看看哪种替换能把一种酶活性切换成另一种。但在这里，这一策略失败了。被改造的蛋白质要么失去稳定性，要么无法执行预期功能。仅仅调整酶的可见表面，并不足以揭示其潜在的进化路径。
回望过去，而非向前推演
由于现代蛋白质本身难以解释，研究人员决定另辟蹊径。他们不再只比较今天存在的蛋白质，而是回到它们的进化历史中去寻找答案。这正是祖先序列重建的逻辑：该方法利用大量相关蛋白质的序列，推断出数百万年前存在过的一种蛋白质的最可能序列。
团队首先为该酶家族构建了详细的进化树，根据氨基酸序列相似性将 NrnC、diDNase 及其他近缘蛋白放在相应位置。有了这棵树，他们便能计算出两种酶共同祖先的最可能序列。接着是真正大胆的一步：他们合成了相应基因，在实验室中表达它，并制备出可以直接研究的古老蛋白质。
这条“复活”的蛋白质不仅仅是一件化石。它也是实验的起点。通过重建祖先状态，团队可以逐个引入变化，观察每一次改变如何推动蛋白质走向现代的某种功能。换句话说，这种古老酶就是一台分子时光机，让研究人员能够在试管中重演进化。
从结构看分子过去
这项研究还提供了结构层面的视角。研究人员得以观察 diDNase 酶重建祖先的 3D 结构。了解古老蛋白质的形状，有助于解释为何某些突变能够被容忍，而另一些则不能。它也进一步阐明了活性位点，即酶执行化学反应的区域，如何随着时间推移被重塑以接受不同底物。
由于祖先酶早于 NrnC 与 diDNase 的分化，因此它的结构很可能代表了一种两种功能仍都可行的状态。将这一祖先结构与 NrnC 和 diDNase 的现代结构进行比较，团队可以识别出使酶偏向某一特化方向的具体变化。仅靠观察现代酶，很难获得这类信息，因为后续数百万年的进化会掩盖那些将蛋白质引向特定路径的早期步骤。
对基础进化与蛋白质工程的启示
这些发现揭示了蛋白质如何在进化过程中演化出不同功能，但其意义并不止于基础好奇心。理解自然如何重塑蛋白质，对希望为生物技术、医学或工业化学设计定制酶的科学家也很有价值。
自然进化是一个渐进过程。它并不是从零开始设计蛋白质，而是在已有蛋白质上不断修改，常常利用一个祖先蛋白本就对多种底物具有低水平活性的灵活性。NrnC 和 diDNase 的例子以不同寻常的清晰度说明了这一原理。显然，这个祖先酶能够分化出两种不同的“专家”，分别适应不同类型的小核酸分子。
对现代蛋白质工程师而言，这一教训是，简单地突变当代酶中的残基，并不一定能重现自然所走过的路径。有时，决定酶如何进化的规则深埋于其历史之中。若要以有意义的方式改造蛋白质，或许必须像进化古生物学家那样思考，去审视现代蛋白所起源的古老形式。
为“倒带”进化提供蓝图
这项研究也为其他研究团队提供了方法学蓝图。祖先序列重建并不新鲜，但将其与结构生物学和实验室“复活”结合起来，正开始带来非同寻常的洞见。CSSB 和 DESY 的基础设施让研究人员能够在同一个思路框架下整合进化分析、蛋白质生产和高分辨率结构测定。
团队的成功也凸显了坚持的价值。最初的突变实验未能奏效，而正是通过退后一步、采用更长远的进化视角，研究人员才取得进展。在科学中，就像在进化中一样，前进有时需要先后退。
展望未来
要完整描绘从祖先酶到现代特化酶的整个轨迹，还需要更多实验。现在他们手中已有重建出的蛋白质，研究人员可以开始逐个替换那些区分两条谱系的突变，并实时观察其后果。每一项实验都会为这一家族如何演化的图景增添新细节，也可能提炼出适用于许多其他蛋白质的一般性原则。
对非专业读者而言，这项工作提醒我们，进化影响的不只是大象和兰花，它同样塑造着每个活细胞内部的分子机器。通过“复活”一种早已湮没于时间中的蛋白质，一组科学家展示了过去并不总是遥不可及。有时它可以被重建、被研究，并再次吐露秘密。
本文基于 Phys.org 的报道。阅读原文。
Originally published on phys.org
