科学家重建20亿年前的酶 解决了一个长期存在的谜团

这是一棵系统发育树的样子，其起源（中间）可以追溯到20亿年前。树枝的顶端分别代表一个现代生物体的酶。资料来源：Diana Smikalla

（神秘的地球uux.cn）据cnBeta：由Mario Mörl和Sonja Prohaska教授领导的研究小组专注于被称为tRNA核苷酸转移酶的酶，它们将C-C-A序列的三个核苷酸构件附着在细胞内的小RNA（转移RNA）上。这些RNA随后被用来为蛋白质的合成提供氨基酸。利用系统发育重建，该团队重建了大约20亿年前存在于细菌中的一种祖先酶的候选者，并将其与一种现代细菌酶进行比较。

他们发现这两种酶的工作精度相似，但在反应上有明显的区别。以前，科学家们无法理解为什么现代酶经常中断它们的活动，但这项研究表明，这种倾向实际上是一种进化优势，这让生物化学家困惑了几十年。

祖先的酶是渐进式的，即它的工作没有中断，但每隔一段时间就会移除已经正确添加的核苷酸构建块。这些结果表明，从酶的重建中可以了解到许多关于现代酶的进化和特性，许多问题只能通过生物信息学和生物化学之间的互动来解决--在计算机计算实验室实验之间来回穿梭。

利用基因序列，也可以创建细菌的进化系统树。从今天物种树中广泛的生物多样性开始，单个基因的进化路径可以沿着关系和分支进行重建，并艰难地追溯到一个共同的起源。

这种重建是一个三步走的过程。首先，在数据库中搜索相应的现代酶，以便能够检查氨基酸构建块的序列。然后得到的序列可以用来计算原始序列应该是什么样子的。然后将编码旧酶的相应基因序列引入实验室细菌，使其形成所需的蛋白质。然后可以对这种酶进行详细研究，以确定其特性并与现代酶进行比较。

Sonja Prohaska回忆说："当实验室传来消息，重建的酶可以进行C-C-A加成，而且甚至在比今天的酶更宽的温度范围内进行，这就是突破。"

与生物体一样，酶也是通过进化进行优化的。一种酶所做的工作（催化作用）通常运行得越快、越好，它与底物的结合就越强。重建的祖先酶正是这样做的，它紧紧抓住底物，即tRNA，并将三个C-C-A核苷酸一个接一个地附着在上面不松手。另一方面，现代的tRNA核苷酸转移酶是分布式的，也就是说，它们分阶段工作，期间有停顿，反复释放它们的底物。然而，它们比其祖先的前辈更有效率和速度。

这使研究人员感到困惑。为什么现代酶会不断释放它们的底物呢？解释在于反向反应的现象，在这个过程中，结合的核苷酸被酶再次移除。虽然祖先的酶与底物的强烈结合导致了随后的移除，但现代酶的反向反应几乎完全被放开底物所阻止。这使它们能够比其前辈更有效地工作。

"我们现在终于能够解释为什么现代tRNA核苷酸转移酶尽管具有分布性，但工作却如此高效，"Mario Mörl说。"这一发现让我们团队的人完全吃惊。我们没有想到会有这样的结果。我们在20年前就有这个问题，现在我们终于可以用生物信息学的重建方法来回答这个问题。生物信息学和生物化学之间的这种密切合作在莱比锡已经存在了好几年，并且已经证明，这不是第一次，对双方都是一个巨大的优势。"