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编辑 | 白菜叶
地球上研究较少的生态系统之一是深层生物圈，这里的生物可以承受高静水压力（30-110 MPa）；然而，根据目前的估计，这些地下和深海区域是地球上大多数微生物和动物的栖息地。高达 100 MPa 的陆地相关压力在多大程度上使大多数球状蛋白质（以及哪些种类的蛋白质）变形尚未确定。
在谷歌 AI 工具的协助下，约翰霍普金斯大学的研究人员在最新的研究中，揭示了嗜热微生物的蛋白质如何应对地球最深海沟的恶劣条件，从而为这些生命组成部分在早期地球条件下如何进化提供了新的见解。
「这项研究让我们更好地了解如何设计一种新的蛋白质来抵抗压力，并为我们了解哪些类型的蛋白质更有可能存在于高压环境中（如海底）提供了新的线索。」约翰霍普金斯大学化学家 Stephen D. Fried 说。
该研究以「Proteome-Wide Assessment of Protein Structural Perturbations under High Pressure」为题，于 2024 年 9 月 9 日发布在《PRX Life》。
研究人员开发了一种实验装置的发明，它首次使结构蛋白质组学方法能够在高压下进行。
这种方法称为高压有限蛋白水解 (Hi-P LiP)，涉及对高压下的全细胞提取物进行脉冲蛋白水解。随后通过使用串联液相色谱-质谱法对肽片段进行测序，读取由压力引起的蛋白水解敏感性位点。
该方法可以灵敏地检测压力引起的结构变化，具有残基分辨率，并且可检测整个蛋白质组，从而深入而广泛地了解压力对蛋白质结构的影响。
图示：执行 Hi-P LiP 的设备。（来源：论文）
研究人员将嗜热菌（一种因其耐热能力而在科学实验中广泛使用的微生物）置于模拟马里亚纳海沟压力的实验室模拟环境中。测试表明，一些蛋白质能够抵抗这些压力水平，因为它们具有内在的灵活性，原子结构之间有额外的空间，这种设计使它们能够压缩而不会崩溃。
蛋白质的组成单元或氨基酸链「折叠」或组织成三维结构的方式决定了它们的功能。但这些结构对温度、压力和环境中的其他因素（以及生化和遗传事故）非常敏感，这些因素会导致它们错误折叠成功能失调的形状。
分析显示，细菌中 60% 的蛋白质能够抵抗压力，而其余蛋白质则会在压力下弯曲，形状变形，特别是在已知具有重要生化功能的点或位点。这些发现有助于解释其他生物为何能在足以杀死大多数生物的极端压力下正常生长。
图示：从蛋白质组角度观察压力下的蛋白质结构变形。（来源：论文）
「生命显然具有适应数十亿年不同环境的进化动力，但进化有时听起来几乎像是一件神奇的事情。」Fried说，「在这里，我们真正深入研究了这种现象发生的生物物理学，并发现这是由于这些蛋白质构件的三维排列中存在一个简单的几何解。」
图示：荧光测定法测量压力下的蛋白酶 K (PK) 活性。（来源：论文）
Fried 说，这些发现证明了人工智能在科学发现方面的潜力。通过整合谷歌 AlphaFold 工具的强大功能，该团队绘制了嗜热链球菌整个蛋白质组的压力敏感部分。人工智能工具预测了该生物体 2,500 多种蛋白质的结构，帮助团队计算出它们的配置与抵抗压力变化的能力之间的相关性——Fried 表示，这一壮举仅靠直接测量需要几十年才能完成。
图示：压力引起的结构改变聚集在活性位点。（来源：论文）
研究「极端」生物的约翰霍普金斯大学化学家、论文第一作者 Haley Moran 表示，尽管这种模式生物以在温泉或热液喷口周围繁衍生息的能力而非承受深海压力的能力而闻名，但这些发现可能有助于人们了解极度缺乏研究甚至未知的深海生物。
「很多人预测，如果我们要找到外星生命，那一定是在某个星球或卫星的海洋深处。但我们并不完全了解我们自己海洋中的生命，那里有许多不同的物种不仅能忍受那些会杀死我们的生物，它们还喜欢那里并在其中繁衍生息。」Moran 说，「我们将蛋白质（生命的组成部分之一）置于极端条件下，以观察它们如何适应以突破生命的界限。」
图示：生物物理特征解释了压力下结构变形的敏感性。（来源：论文）
研究结果还强调了高压测试如何揭示隐藏在其他生物体中的其他分子功能。康奈尔大学化学家 Richard Gillilan 参与设计了高压实验，他说，到目前为止，传统思维认为压力水平需要远远超过海沟水平才能影响蛋白质的生物化学。
「我们确实大吃一惊，但随着我们继续仔细核对数字并检查单个分子结构，我们意识到这是一张藏宝图。」Gillilan 说，「我们打开了一扇大门，它将为结构和生物物理研究，甚至药物发现提供许多新的目标。」
该团队接下来将对其他极端环境中生存的生物进行实验。
相关报道：https://phys.org/news/2024-09-ai-extreme-microbe-reveals-life.html
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