科學家重建20億年前的酶解決了一個長期存在的謎團 _科學

這是一棵系統發育樹的樣子，其起源（中間）可以追溯到20億年前。樹枝的頂端分別代表一個現代生物體的酶。資料來源：Diana Smikalla
據cnBeta：由Mario Mörl和Sonja Prohaska教授領導的研究小組專注于被稱為tRNA核苷酸轉移酶的酶，它們將C-C-A序列的三個核苷酸構件附著在細胞內的小RNA（轉移RNA）上。這些RNA隨后被用來為蛋白質的合成提供氨基酸。利用系統發育重建，該團隊重建了大約20億年前存在于細菌中的一種祖先酶的候選者，并將其與一種現代細菌酶進行比較。
他們發現這兩種酶的工作精度相似，但在反應上有明顯的區別。以前，科學家們無法理解為什么現代酶經常中斷它們的活動，但這項研究表明，這種傾向實際上是一種進化優勢，這讓生物化學家困惑了幾十年。
祖先的酶是漸進式的，即它的工作沒有中斷，但每隔一段時間就會移除已經正確添加的核苷酸構建塊。這些結果表明，從酶的重建中可以了解到許多關于現代酶的進化和特性，許多問題只能通過生物信息學和生物化學之間的互動來解決--在計算機計算實驗室實驗之間來回穿梭。
通過追蹤關系進入過去
利用基因序列，也可以創建細菌的進化系統樹。從今天物種樹中廣泛的生物多樣性開始，單個基因的進化路徑可以沿著關系和分支進行重建，并艱難地追溯到一個共同的起源。
這種重建是一個三步走的過程。首先，在數據庫中搜索相應的現代酶，以便能夠檢查氨基酸構建塊的序列。然后得到的序列可以用來計算原始序列應該是什么樣子的。然后將編碼舊酶的相應基因序列引入實驗室細菌，使其形成所需的蛋白質。然后可以對這種酶進行詳細研究，以確定其特性并與現代酶進行比較。
Sonja Prohaska回憶說："當實驗室傳來消息，重建的酶可以進行C-C-A加成，而且甚至在比今天的酶更寬的溫度范圍內進行，這就是突破。"
進化的優化 - 活動中的停頓提高了效率
與生物體一樣，酶也是通過進化進行優化的。一種酶所做的工作（催化作用）通常運行得越快、越好，它與底物的結合就越強。重建的祖先酶正是這樣做的，它緊緊抓住底物，即tRNA ，并將三個C-C-A核苷酸一個接一個地附著在上面不松手。另一方面，現代的tRNA核苷酸轉移酶是分布式的，也就是說，它們分階段工作，期間有停頓，反復釋放它們的底物。然而，它們比其祖先的前輩更有效率和速度。
這使研究人員感到困惑。為什么現代酶會不斷釋放它們的底物呢？解釋在于反向反應的現象，在這個過程中，結合的核苷酸被酶再次移除。雖然祖先的酶與底物的強烈結合導致了隨后的移除，但現代酶的反向反應幾乎完全被放開底物所阻止。這使它們能夠比其前輩更有效地工作。
"我們現在終于能夠解釋為什么現代tRNA核苷酸轉移酶盡管具有分布性，但工作卻如此高效，"Mario Mörl說。"這一發現讓我們團隊的人完全吃驚。我們沒有想到會有這樣的結果。我們在20年前就有這個問題，現在我們終于可以用生物信息學的重建方法來回答這個問題。生物信息學和生物化學之間的這種密切合作在萊比錫已經存在了好幾年，并且已經證明，這不是第一次，對雙方都是一個巨大的優勢。"

科學家重建20億年前的酶 解決了一個長期存在的謎團

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