《Nature》发现脂质形成的缺失步骤，破解古地球气候之谜

在脂质分子的形成过程中，允许某些单细胞生物在地球上最极端的环境中生存的缺失步骤现在已经被破译。

　　

这种脂质被称为二烷基甘油酯四醚(glycerol dibiphytanyl glycerol tetraether，GDGT)，在一些古菌的细胞膜中发现，这些单细胞生物最初被认为是细菌，但现在被认为是一个单独的群体。这种脂质为某些物种提供了在极端高温、盐度或酸性环境中茁壮成长的稳定性，如海洋的热泉、温泉和高盐水域。GDGT独特的稳定性也使得它可以在生物死亡后数百年甚至数千年被检测到。由于这些生物在较高的温度下往往会产生更多的GDGT，因此它被认为是估计地质时间温度的一个有希望的候选物。

“为了准确地将GDGT用作重建地质温度变化的代理，科学家需要更好地了解它是如何产生的，什么基因为它编码，以及哪些物种可以产生它，”霍华德休斯医学研究所的研究员、该研究团队的负责人Squire Booker说。“但是，到目前为止，这种脂类的形成还缺少一步。我们使用成像技术结合化学和生化方法来解构这一缺失步骤的化学途径。”

GDGT的稳定性部分是由于它的两个长碳氢化合物链延伸到整个膜。但这两条链是如何连接在一起的，这让科学家们困惑了几十年。

宾夕法尼亚州立大学研究生、研究小组成员Cody Lloyd说:“两个碳氢链末端的碳耦合在化学上真的很有挑战性，因为它们是惰性的——它们在化学上不活跃。我们确定了激活这些末端碳并使这种耦合成为可能的酶。此外，我们现在知道了编码这种酶的基因，这应该会改善GDGT作为过去气候指标的使用。”

促进两种碳氢化合物链偶联的酶属于被称为自由基SAM蛋白的一类蛋白质，已知在各种化学反应中发挥重要作用，包括抗生素的生产、蛋白质的修饰、DNA和RNA，以及各种生物分子的产生。

第一步与其他涉及自由基SAM酶的反应类似:自由基SAM酶使用其铁硫团簇中的一个来分裂一个叫做S-腺苷- l-蛋氨酸(SAM)的分子，产生一个“自由基”或一个未配对的电子，它的活性很高，有助于将反应向前推进。然后，自由基从链末端的碳上夺走一个氢原子。在稍后的步骤中，这个过程在第二个链上重复，使用第二个SAM分子。

Lloyd说:“最终，每个链末端的碳最终在氢原子被移除的位置相互结合。但一旦第一条链上的氢被移除，它就变得非常不稳定，几乎可以和任何东西发生反应。为了暂时防止第一条链与脱靶物发生反应，碳与酶三个铁硫簇中另一个的硫原子结合。”

一旦氢从第二条链上移除，产生的自由基会促使第一条链从酶上的铁硫团簇中移除，并与第二条链结合。这导致两条链结合在一起，完成了GDGT形成过程中缺失的步骤。

Booker说:“这是铁硫团簇的全新应用，这是自然界中第一个将两个完全惰性的碳原子与这种电子构型耦合的例子，化学家称之为sp3杂化。人们对用sp3杂化碳制造这种碳-碳键很感兴趣，这是制药和其他工业产品的一部分。大自然已经有数百万年的时间来解决这个问题，所以我们继续从大自然中寻找合成反应的灵感——比如铁硫簇的新用途。”

Cody T. Lloyd, David F. Iwig, Bo Wang, Matteo Cossu, William W. Metcalf, Amie K. Boal, Squire J. Booker. Discovery, structure, and mechanism of a tetraether lipid synthase. Nature, 2022; DOI: 10.1038/s41586-022-05120-2