“過去、現(xiàn)在和未來之間的區(qū)別只是一種頑固的幻覺，”阿爾伯特愛因斯坦寫道。也許這在蛋白質(zhì)進化中最為明顯，在今天不同物種中存在相同酶的過去和現(xiàn)在版本，對未來的酶設計產(chǎn)生影響?，F(xiàn)在，研究人員使用進化“時間旅行”來了解酶如何隨時間進化，從地球上最古老的生物之一到現(xiàn)代人類。

研究人員今天將在美國化學學會 (ACS) 秋季會議上展示他們的結(jié)果。

“如果一個人住在今天的羅馬，他們可能想了解古羅馬以更好地了解他們是誰，”該項目的首席研究員 Magnus Wolf-Watz 博士說。“以同樣的方式，我們可以回顧更古老的酶形式，以了解這些蛋白質(zhì)今天是如何工作的，以及我們將來如何設計新版本。”

瑞典于默奧大學的 Wolf-Watz 回顧了大約 2 到 30 億年前的原始生物，即古細菌。這些今天仍然存在的單細胞生命形式具有原核生物(沒有細胞核的細菌)和真核生物(細胞內(nèi)有細胞核的植物、動物和真菌等生物)的特征。2015 年發(fā)現(xiàn)的一種古細菌分支，被稱為 Asgard 門，包含與真核細胞最接近的已知祖先。已經(jīng)確定了四種類型的 Asgard 古菌，包括在大西洋深處的熱液噴口中發(fā)現(xiàn)的 Odin 古菌。

Odin 古細菌有一種叫做腺苷酸激酶 (AK)的酶，它也存在于原核生物和真核生物中。Wolf-Watz 之前研究了這種酶的兩種人類類型，AK1 和 AK3。兩者對于維持細胞中的能量平衡都很重要，但 AK1 位于細胞質(zhì)中，它將磷酸基團從三磷酸腺苷(ATP，細胞中的主要能量載體)轉(zhuǎn)移到單磷酸腺苷 (AMP)。相比之下，AK3 位于線粒體內(nèi)，在那里它將磷酸基團從三磷酸鳥苷(GTP，一種類似于 ATP 但具有不同作用的分子)轉(zhuǎn)移到 AMP。

Wolf-Watz 的團隊使用 X 射線結(jié)晶和核磁共振波譜研究了 AK1 和 AK3 的結(jié)構，發(fā)現(xiàn)雖然這兩種酶非常相似，但它們在一個短環(huán)區(qū)域有細微的差異，導致 AK1 更喜歡 ATP 和 AK3更喜歡 GTP。“現(xiàn)在我們可以使用任何 AK 酶，查看該環(huán)的結(jié)構，并預測它是使用 ATP 還是 GTP，”Wolf-Watz 說。下一步是檢查更古老版本的 AK 酶——來自奧丁古細菌——以了解 AK1 和 AK3 如何進化為偏好不同的核苷酸底物。

研究人員純化了 AK 古菌并確定了其結(jié)構。他們發(fā)現(xiàn)，在古細菌酶中，對于區(qū)分 ATP 和 GTP 很重要的環(huán)要長得多，并且它具有可以結(jié)合任一核苷酸的化學基團。“我們發(fā)現(xiàn)的是人類 AKs 的早期祖先，它包含兩種能力——它可以同時使用 ATP 和 GTP，”沃爾夫-瓦茨說。“在進化過程中，根據(jù)它所在的細胞區(qū)室，它變得專門針對一個或另一個變得特定。” 古細菌 AK 實際上可以使用所有天然存在的三磷酸核苷酸 (NTP)。“我們發(fā)現(xiàn)了一種通用的 NTP 結(jié)合基序，它可能成為未來新型酶設計的基石，”沃爾夫-瓦茨說。

古菌 AK 含有酶的三個拷貝(稱為三聚體)，它們通過螺旋結(jié)構相互結(jié)合。在人類 AK 中，該區(qū)域的突變使酶拷貝無法相互粘連。獨立運作的人類酶的活性幾乎高出 1,000 倍。Wolf-Watz 說，三聚體在熱液噴口的極端環(huán)境中可能更穩(wěn)定，但人類酶可能已經(jīng)用這種熱穩(wěn)定性換取了更高的活性，這在較冷的環(huán)境中很重要。

接下來，研究人員希望設計可用于有機合成或藥物開發(fā)的新型酶。他們還想檢查來自奧丁古細菌的其他酶，并研究它們可能是如何進化的。“我們研究了一種酶并做出了這個奇妙的發(fā)現(xiàn)，”沃爾夫-瓦茨說。“當然，還有更多東西要找。這就像我們在挖寶箱一樣。”

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