它是地球上最微小的生物之一，也是最丰富的生物之一。而现在，称为Prochlorococcus的微观海洋细菌可以在其属性列表中增加一个更高级别：它发展出新的代谢物，称为长肽，比任何其他已知生物更加丰富和快速。

虽然大多数细菌含有基因来抽出这种肽的一种或两种形式，但Prochlorococcus品种每种都可以产生二十多种不同的肽(与蛋白质相似但分子较小的分子)。尽管地球上所有的Prochlorococcus品种都只属于一个物种，但它们在世界不同海域的一些本地化品种各自产生了数千种这些肽的独特集合，与陆地细菌产生的不同。

本周在美国国家科学院院刊上发表的令人吃惊的调查结果，由前麻省理工学院研究生Andres Cubillos-Ruiz，伊利诺伊大学化学教授Wilfred van der Donk的Sallie“Penny”Chisholm教授和两位研究员发现。其他。

“这是非常重要的工作，”犹他大学药物化学教授埃里克施密特说，他没有参与这项研究。“这些作者展示了大自然如何进化出创造化学多样性的方法。真正让它与众不同的是它探讨了这种进化是如何在自然界中发生的，而不是在实验室中。他们研究了一个巨大的栖息地，即开阔的海洋。 ，“ 他说。

Cubillos-Ruiz说：“在这项新的研究中，没有人看到过这些分子多样性的真实程度”。这种意想不到的多样性的第一个暗示在2010年浮出水面，当时van der Donk和Chisholm实验室的成员Bo Li和Daniel Sher分别发现，一种Prochlorococcus可以产生多达29种不同的多肽。但是当Cubillos-Ruiz看到其他种群并发现相同的生物在不同的位置产生相同数量的多肽时，出现了巨大的惊喜，“并且所有这些都完全不同，”他说。

经过大量研究，检查了许多原球蛋白培养基的基因组和来自野外的DNA片段，研究人员确定，非常数量的长壁肽进化的方式本身就是以前没有观察到的东西。虽然大多数进化都是通过微小的渐进变化进行的，但在保留绝大多数遗传结构的同时，使得Prochlorococcus能够产生这些长肽的基因正好相反。它们不知何故同时经历了戏剧性的批发变化，导致这些代谢物的数千种新品种的产生。

Cubillos-Ruiz现在是麻省理工学院医学工程与科学研究所的博士后，她表示这些基因改变的方式“并未遵循经典的系统发育规则”，这就要求变化应该缓慢而渐进地发生，以避免破坏性的变化。功能。但这个故事有点复杂：编码这些长肽的特定基因由两部分组成，端到端连接。其中一部分实际上在种族和不同种群中保存得非常完好。这是结构中这些重大变革的另一端。“下半场变化惊人，”他说。“该基因的两半采取了完全不同的进化途径，这种情况并不常见。”

这些数千种肽中的大多数(称为原丙聚糖)的实际功能仍然未知，因为它们在实验室条件下很难研究。由陆生细菌产生的类似化合物可以作为生物体之间的化学信号传导装置，而已知其他化合物具有抗微生物功能，并且许多其他化合物用于尚未确定的目的。然而，由于已知的抗菌功能，该团队认为筛选这些化合物以确定它们是否可能成为新抗生素或其他有用生物制品的候选物将是有用的。

Procillococcus的这种进化机制代表了“这种特殊代谢物的一种有趣的进化模式，”Cubillos-Ruiz说。虽然进化通常有利于保留从祖先到后代的大部分遗传结构，“在这种生物体中，选择似乎有利于能够产生许多和非常不同的多肽的细胞。因此，这种内在的集体多样性似乎是其中的一部分。它的功能，但我们还不知道它的目的。我们可以猜测，但考虑到它们的可变性，它很难证明。“他说，也许它与提供防御病毒攻击有关，或者它可能涉及与其他细菌的通信。

“Prochlorococcus试图告诉我们什么，但我们还不知道那是什么，”Chisholm说，他在麻省理工学院的土木与环境工程和生物学系担任联合任命。“[Cubillos-Ruiz]通过这个分子发现的是多样性的进化机制。”这种多样性显然必须具有非常重要的生存价值，她说：“这是一个如此小的生物体，拥有如此小的基因组，将其遗传潜力用于生产这些分子必须意味着它们发挥着重要作用。是：那个角色是什么?“

事实上，这种过程可能并不是唯一的 - 可能只是因为Chisholm及其同事最初在1986年发现并且从那时起一直在研究的有机体Prochlorococcus提供了这种分析所需的大量数据。“这可能发生在其他类型的细菌中，”Cubillos-Ruiz说，“因此，如果人们开始考虑其他环境以寻求这种多样性，那么它可能会变得不那么独特。”“在其他[生物]系统中也有一些提示，”他说。

哈佛大学生物化学和分子药理学名誉教授克里斯托弗沃尔什(Christopher Walsh)表示，“单一酶组装的原卟啉类药物的多样性......引发了关于数千种环肽结构如何进化的令人惊讶的问题。通过有利于大变革而非增量变革的变更来实现。“

根据Schmidt的说法，“有许多可能的实际应用。第一个是相当清楚的：通过使用这种自然变异，可以使用相同的过程来设计和制造可能是药物或其他材料的化学品。更重要的是，通过了解自然产生化学多样性的过程，这将有助于创建在细胞中合成所需应用的方法。“