蛋白質是怎麼演變的?科學家鑑別出存在上億年的蛋白質片段

作者 | 發布日期 2016 年 01 月 09 日 0:00 | 分類 生物科技 follow us in feedly
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很難想像生物體中的蛋白質,會和日常生活用到的語言有相似之處吧?德國馬克思普朗克協會發育生物學家 Andrei Lupas 的研究團隊就利用了生物資訊的方法,取經語言學研究的技術,比對了現今常見的蛋白質序列,以此重建了古代蛋白質的樣貌,在這項研究中鑑定出多達 40 種的古代胺基酸序列,甚至可以追溯至 35 億年前,也就是第一個地球上第一個蛋白質出現的時間。



事實上,生物學家在研究蛋白質的結構時的確運用了很多和語言學研究類似的技術,蛋白質序列中的基礎建構單元,就像語言學中的字根,分析各種不同的排列組合,就能從中得到許多資訊。語言學家能夠比對現代語彙進而重現古代字彙,而生物學家也能用同樣的方法重建古代蛋白質結構。

蛋白質在所有已知的生物體內扮演著非常多元且重要的角色,首先,蛋白質是構成細胞的主要成分,一個細胞大約一半的重量是蛋白質;除了支撐結構的功能之外,我們常聽到的具有催化體內化學反應的各種「酵素」,也是蛋白質的一種,佔了目前已知蛋白質大約五分之一數量,在生物體內的重要性不言而喻,我們的飲食代謝,都和體內功能各異的酵素密切相關。除此之外,蛋白質還在生物體內扮演了各種保護、儲存、運動、防禦、調節等功能,生命的運行可以說是由這些蛋白質化學所構成。目前所知的蛋白質都是由僅僅幾千個已知的結構單元(domain)所構成,雖然我們對於這些結構都已有一定程度的了解,但不清楚他們的來源。

Lupas 這項研究中推測蛋白質的來源,是在大約 35 億年前,連細胞的結構都尚未發展完全的原始 RNA 生物世界,第一個蛋白質結構單元便從一些簡單的胺基酸組成的胜肽鏈彼此融合,一個一個組合而成。透過分析現代的蛋白質,科學家們從看似彼此不相關的蛋白質中,找到 40 種有著非常相似的序列及結構的胜肽鏈片段。這些胺基酸序列出現在大多數的歷史悠久的蛋白質之中,並且在生物體內扮演著和 RNA 或 DNA 結合等這些基礎而重要的功能。因此,科學家們推測這些片段便是從古代 RNA 生物世界流傳至今,仍然存在於世上的早期蛋白質線索,也就是如今 DNA 為主的生物世界源頭。

這些胺基酸片段的結構研究,在未來或許能為人類開啟新的科技,也就是透過這些研究使人類得以運用已存在的蛋白質加以設計,產生自然界中不存在的新蛋白質,這些新蛋白質能夠依照人類新的需求來設計,在醫療、食品、保健、能源、美容、環保等不同領域之中都能夠有所發展,解決問題甚至改善生活。為此,Lupas 表示,透過了解這些蛋白質結構進化發展的過程,我們能夠創造出新形式的蛋白質,將是生物科技令人期待的一大進展。

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