新生命形式回答关于细胞进化的问题

细菌和古菌是生命的三个领域中的两个。两者都必须从推定的最后普遍共同祖先(LUCA)演变而来。一种假设是，这是因为LUCA中的细胞膜是脂质的不稳定混合物。现在，格罗宁根大学和瓦赫宁根大学的科学家用混合膜创造了这样一种生命形式，并发现它实际上是稳定的，驳斥了这一假设。结果将于3月19日发表在“美国国家科学院院刊”上。

关于细胞生命如何在数十亿年前发展出来的想法有很多。原始细胞可能是由粘土矿物质形成的，或者是简单的脂质囊泡。格罗宁根大学分子微生物学教授阿诺德·德里森解释说，在后一种情况下，会出现一种叫做“脂质分裂”的东西，形成细菌和古细菌的独立区域。“两个结构域的脂质膜都是不同的，由磷脂组成，这些磷脂是彼此的镜像。”

混合膜

在技术术语中，细菌膜中的脂质由直链脂肪酸组成，所述直链脂肪酸与甘油-3-磷酸的主链酯连接。但古细菌膜中的脂质具有甘油-1-磷酸的主链，类异戊二烯通过醚键连接。

脂质分裂背后的想法是细菌和古细菌的共同祖先具有细胞膜，其中两种类型的脂质混合。“这种混合膜不如仅仅一种磷脂的均质膜稳定，因此最终发生分裂，导致细菌和古细菌的两个结构域，”Driessen说。

所有这一切都发生在35亿年前，因此缺乏确凿的证据。因此，Driessen和他的同事们决定用混合膜对一个微生物进行“逆向工程”。“这已经尝试过了，但是这些实验导致细菌只有非常少量(<1%)的古细菌脂质。”

然而，在新研究中，这一比例增加到30%。两项关键突破使这成为可能：“在之前的研究中，我们发现了一种对古菌膜脂质生产至关重要的酶。这需要三个步骤，在此之前，只有两种酶是已知的。”Driessen解释说，另一项突破来自瓦赫宁根大学的科学家。“他们设法增加了细菌大肠杆菌中类异戊二烯的产生。”类异戊二烯是一种普遍存在的有机化合物，包括许多天然香料，色素或香料。

这两项发现都转移到了正常的大肠杆菌中，这是基因工程的一项重大成就。“我们不知道最终结果是否是一个可行的细胞，”Driessen说。但最终，它运作良好。通过一些微调，科学家们创造了一种细胞，其中所有磷脂酰甘油，即形成细菌膜基本双层的脂质，被其古菌等效物(古细菌甘油)取代。这占膜中脂质的30%。“这种细菌以正常速度生长并且稳定，”Driessen说。“因此，这一结果并不支持这样一种假设，即混合膜本质上是不稳定的，因此可能产生脂质分裂。”

Driessen指出，用于膜脂质生产的古细菌酶在它们催化的反应中比它们的细菌等同物更不特异。“它们似乎更”原始“。因此，酶特异性的进化可能是分裂的驱动因素。”当然，还有一个重要的警告 - 实验是在现代大肠杆菌中进行的，这些细菌已经进化了35亿年，超过了原始的古细菌分裂。

“这些混合细胞的稳健性使我们感到惊讶。我们期待更多的问题让它们保持活力。毕竟，我们所设计的东西确实构成了新的生命形式。”工程细胞比原始大肠杆菌更长。当古菌脂质的产量非常高时，生长减慢并且膜形成小叶附属物。

除了进化的影响，这一发现可能会产生新的研究：“例如，我们可以设计一种古细菌膜蛋白的细菌表达系统，例如那些在极高温度和压力下生长的超嗜热菌产生的细胞表达系统。”

两所荷兰大学的工作是起源中心的一部分，该中心是一个致力于研究地球上生命起源的国家计划。

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