20亿年前的酶被重建分子生物学家和生物信息学研究人员的侦探工作

莱比锡大学的研究人员解决了细菌酶进化中的一个难题。通过重建大约20亿年前存在的一种特殊RNA聚合酶的候选酶，他们能够解释相应的现代酶迄今令人费解的特性。

与他们的祖先不同，他们不会连续工作，因此效率要高得多——这些活动的暂停构成了进化的进步。由于分子生物化学和生物信息学之间的跨学科合作，从史前时代重建蛋白质成为可能。

研究成果发表在《分子生物学与进化》杂志上。研究的酶是tRNA核苷酸转移酶：将序列CCA中的三个核苷酸构建块连接到细胞中的小RNA(所谓的转移RNA)，以便它们随后可以为蛋白质合成提供氨基酸。

通过系统发育重建，由MarioMörl教授(生物化学)和SonjaProhaska教授(生物信息学)领导的研究小组重建了大约20亿年前细菌中存在的这种祖先酶的候选者。然后，研究小组将重建的RNA聚合酶的特性与现代细菌酶的特性进行了比较。

两种酶的工作精度相似，但在反应方面表现出明显差异。直到现在，还不可能认识到现代酶反复中断其活动的趋势是一种进化优势。几十年来，这种现象一直困扰着生物化学家。只有与重建酶的活性模式进行比较，这个谜团才得以解开。

祖先的酶是进行性的，即它不间断地工作，但时不时地去除已经正确添加的核苷酸构建块。结果表明，从酶的重建中可以了解到很多关于现代酶的进化和特性的信息，而且许多问题只能通过生物信息学和生物化学之间的相互作用——在计算机计算和实验室实验之间来回穿梭——来解决。

通过追踪关系闪回过去

使用基因序列，也可以创建细菌的进化系统树。从今天物种树中广泛多样的生物体出发，可以沿着关系和分支重建单个基因的进化路径，并煞费苦心地追溯到一个共同的起源。

重建本质上是一个三步过程。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单元的序列。然后可以使用获得的序列来计算原始序列应该是什么样子。然后将编码旧酶的相应基因序列引入实验室细菌，使它们形成所需的蛋白质。然后可以详细研究这种酶以确定其特性并与现代酶进行比较。

SonjaProhaska回忆说：“当从实验室传回消息称，重建的酶可以添加CCA，并且甚至在比今天的酶更宽的温度范围内也能做到这一点，这就是突破。”

进化优化：活动暂停提高效率

与生物体一样，酶也通过进化得到优化。酶执行的工作(催化)通常运行得越快越好，它与底物的结合力越强。重建的祖先酶正是这样做的，它紧紧抓住底物tRNA，并一个接一个地连接三个CCA核苷酸而不松手。

另一方面，现代tRNA核苷酸转移酶是分配性的，即它们分阶段工作，期间有暂停，期间它们反复释放底物。尽管如此，他们比他们的祖先更高效、更快。这让研究人员感到困惑。为什么现代酶不断释放它们的底物?

解释在于逆反应现象，其中掺入的核苷酸再次被酶去除。虽然祖先酶与底物的强结合会导致随后的去除，但现代酶中的逆反应几乎可以通过释放底物来完全阻止。这使他们能够比他们的前辈更有效地工作。

MarioMörl说：“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特性，但仍能如此高效地工作。”“这一发现让我们团队完全感到意外。我们没想到会发生这样的事情。我们在20年前就提出了这个问题，现在我们终于可以使用生物信息学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已经存在于莱比锡几年来已经证明，这对双方来说都是一个巨大的优势，这已经不是第一次了。”