研究盲测在细菌进化中的作用

蛋白质是细胞内几乎所有分子过程的关键参与者。为了实现其多样化的功能，它们必须与其他蛋白质相互作用。这种蛋白质-蛋白质相互作用由高度互补的表面介导，这些表面通常涉及许多氨基酸，这些氨基酸精确定位以在两种蛋白质之间产生紧密的特异性贴合。然而，关于这种相互作用在进化过程中是如何产生的，人们知之甚少。

经典进化理论认为，任何涉及许多成分(如使蛋白质之间相互作用的氨基酸)的新生物学特征都是逐步进化的。根据这个概念，每一个微小的功能改进都是由自然选择的力量驱动的，因为有一些与特征相关的好处。然而，蛋白质 - 蛋白质相互作用是否也总是遵循这一轨迹尚不完全清楚。

使用高度跨学科的方法，由马尔堡陆地微生物学的马克斯普朗克研究员Georg Hochberg领导的国际团队现在为这个问题提供了新的线索。他们的研究提供了明确的证据，证明高度互补和生物学相关的蛋白质 - 蛋白质相互作用可以完全偶然进化。

蛋白质在光保护系统中合作

研究小组在微生物用来适应压力光照条件的生化系统中发现了他们的发现。蓝藻利用阳光通过光合作用生产自己的食物。由于大量的光会损害细胞，蓝藻已经进化出一种称为光保护的机制：如果光强度变得危险高，一种名为橙色类胡萝卜素蛋白(OCP)的光强度传感器会改变其形状。

在这种活化形式中，OCP通过将多余的光能转化为无害的热量来保护细胞。为了恢复到原始状态，一些OCP依赖于第二种蛋白质：荧光恢复蛋白(FRP)与活化的OCP1结合并强烈加速其恢复。

“我们的问题是：允许这两种蛋白质形成复合物的表面是否有可能完全是偶然进化的，而不是通过直接的自然选择?”Georg Hochberg说。

“困难在于这两个过程的最终结果看起来相同，所以我们通常无法判断为什么某些相互作用所需的氨基酸会进化 - 通过相互作用的自然选择或偶然。为了区分它们，我们需要一台时间机器来见证这些突变发生的确切历史时刻，“Hochberg解释说。

幸运的是，最近在分子和计算生物学方面的突破为Georg Hochberg和他的团队配备了一种实验室式的时间机器：祖先序列重建。

此外，柏林工业大学的Thomas Friedrich小组多年来一直在研究蓝藻的光防护系统，是研究两种蛋白质成分进化相遇的理想选择。早期蓝藻通过水平基因转移从变形杆菌中获得FRP蛋白。后者本身没有光合能力，也不具有OCP蛋白。

为了弄清楚OCP1和FRP之间的相互作用是如何演变的，研究生Niklas Steube推断了数十亿年前存在的古代OCP和FRP的序列，然后在实验室中复活了它们。在将氨基酸序列翻译成DNA后，他使用大肠杆菌细胞生产它们，以便能够研究它们的分子特性。

一个幸运的巧合

柏林团队随后测试了古代分子是否可以形成相互作用。通过这种方式，科学家们可以追溯蛋白质伴侣是如何相互了解的。“令人惊讶的是，在基因转移发生之前，来自变形杆菌的FRP已经与蓝藻的祖先OCP相匹配。因此，FRP和OCP的相互兼容性在不同物种中完全独立地进化，“Thomas Friedrich说。

这使得研究小组能够证明它们的相互作用能力一定是一个快乐的意外：如果它们从未见过对方，选择就不可能合理地塑造两种蛋白质的表面以实现相互作用。这最终证明，这种相互作用可以在没有直接选择压力的情况下完全进化。

“这似乎是一个非同寻常的巧合，”Niklas Steube说。“想象一下，一艘外星飞船降落在地球上，我们发现它包含插头形状的物体，非常适合人造插座。但是，尽管人们认为不太可能，但这种巧合可能相对普遍。但事实上，当细胞内的定位或表达模式发生变化时，或者当新蛋白质通过水平基因转移进入细胞时，蛋白质经常会遇到大量新的潜在相互作用伙伴。

Georg Hochberg补充说：“即使只有一小部分这样的遭遇最终是富有成效的，偶然的兼容性也可能是我们今天在细胞内看到的所有相互作用的很大一部分的基础。因此，就像在人类伙伴关系中一样，良好的进化匹配可能是两个已经兼容的伴侣偶然相遇的结果。