为了解决困惑生物化学家几十年的谜团，科学家重建了一种“祖先酶”

分子生物学家和生物信息学研究人员共同进行了侦察工作，以完成这一壮举。

　　

       

研究小组通过搜索数据库中相应的现代酶，重建了一种祖先酶，利用获得的序列计算原始序列，并将相应的基因序列引入实验室细菌中，以产生所需的蛋白质。然后对这种酶进行了详细研究，并与现代酶进行了比较。      

由Mario Mörl教授和Sonja Prohaska教授领导的研究团队专注于一种名为tRNA核苷酸基转移酶的酶，这种酶将C-C-A序列中的三个核苷酸构建块连接到细胞中的小RNA(tRNA)上。这些tRNA随后被用来为蛋白质合成提供氨基酸。通过系统发育重建，该团队重建了大约20亿年前存在于细菌中的一种祖先酶的候选酶，并将其与现代细菌酶进行了比较。

他们发现，这两种酶的工作精度相似，但其反应有明显的差异。以前，科学家们无法理解为什么现代酶经常中断它们的活动，但这项研究表明，这种倾向实际上是一种进化优势，这一问题困扰了生物化学家几十年。       

祖先的酶是加工的，也就是说，它不间断地工作，但时不时地会移除已经正确添加的核苷酸组成部分。结果表明，从酶的重建中可以了解到许多关于现代酶的进化和性质的信息，许多问题只能通过生物信息学和生物化学之间的相互作用来解决——在计算机计算和实验室实验之间来回切换。

通过追踪关系，穿越到过去

利用基因序列，还可以创建细菌的进化系统发育树。从今天物种树中广泛的生物多样性开始，个体基因的进化路径可以沿着关系和分支重建，并艰苦地追溯到一个共同的起源。

重建基本上是一个三步过程。首先，在数据库中搜索相应的现代酶，以便能够检查氨基酸构建块的序列。得到的序列可以用来计算原始序列应该是什么样子的。然后将编码旧酶的相应基因序列引入实验室细菌中，使它们形成所需的蛋白质。然后可以对酶进行详细研究，以确定其性质并与现代酶进行比较。Prohaska回忆说:“当实验室传来消息说，重建的酶可以进行C-C-A添加，而且比现在的酶在更宽的温度范围内也可以这样做时，这是一个突破。”

进化优化:活动中的暂停可以提高效率

和生物体一样，酶也在进化中得到优化。酶与底物的结合越强，酶的催化作用通常就越快越好。重建的祖先酶正是这样做的，它抓住底物tRNA，并一个接一个地连接三个C-C-A核苷酸而不放手。另一方面，现代tRNA核苷酸转移酶是分散性的，即它们分阶段工作，在此期间它们重复释放底物。然而，它们比它们的祖先更高效、更快。这让研究人员感到困惑。为什么现代酶会一直放弃它们的底物?解释在于反向反应的现象，其中合并的核苷酸再次被酶除去。虽然祖先酶与底物的强烈结合导致了随后的去除，但现代酶中的逆向反应几乎通过释放底物而完全阻止。这使得他们的工作效率比他们的前辈更高。

Mörl说:“我们现在终于能够解释为什么现代tRNA核苷酸转移酶尽管具有分布性质，但仍能如此有效地工作。这一发现完全出乎我们团队的意料。我们没想到会发生这样的事。我们在20年前就有了这个问题，现在我们终于可以用生物信息学重建方法来回答它。这种生物信息学和生物化学之间的密切合作在莱比锡已经存在了几年，并已不是第一次被证明对双方都是一个巨大的优势。”

参考文献:

Substrate Affinity Versus Catalytic Efficiency: Ancestral Sequence Reconstruction of tRNA Nucleotidyltransferases Solves an Enzyme Puzzle. Molecular Biology and Evolution