极端盐环境下古微生物细胞膜片段结构稳定性评估方法的比较研究及其在生命标志物探测中的意义

为探究极端盐环境中古微生物生命标志物的保存机制，研究人员以嗜盐古菌Halobacterium salinarum为模型，采用NanoDSF（纳米差示扫描荧光法）、AUC（分析超速离心）和DSC（差示扫描量热法）评估了早期地球与火星模拟卤水对细胞膜片段结构稳定性的影响。研究发现高盐环境导致技术挑战（如结晶干扰），但证实NanoDSF适用于多蛋白系统分析，为地外生命探测提供了方法学参考。

　　

在探索地外生命的过程中，盐晶体中的微生物化石被视为关键线索。科学家们从地球古老的盐矿中发现了存活数百万年的嗜盐古菌，这些微生物的细胞膜片段（包含蛋白质和脂质）可能成为揭示生命起源的"时间胶囊"。然而，极端盐环境对生物分子保存的影响机制尚不明确，尤其是火星等天体上富含镁、铁和硫酸盐的卤水与地球钠盐环境存在显著差异。这种差异可能导致生物分子结构的破坏（chaotropic effect，离液效应）或稳定（kosmotropic effect，稳液效应），但现有研究多局限于单一盐溶液或可溶性蛋白，缺乏对复杂自然卤水和膜蛋白系统的评估。

法国国家自然历史博物馆（Muséum National d'Histoire Naturelle, MNHN）和巴黎巴斯德研究所的研究团队在《Scientific Reports》发表研究，首次系统评估了三种生物物理技术（NanoDSF、AUC、DSC）在模拟早期地球和火星卤水中分析嗜盐古菌细胞膜片段结构稳定性的适用性。研究以Halobacterium salinarum NRC-1为模型，制备其细胞膜片段和纯化膜蛋白（细菌视紫红质bR），在7种模拟卤水（4种火星型、3种地球型）中测试技术兼容性。

关键技术包括：（1）通过蔗糖梯度离心纯化含类胡萝卜素的细胞膜片段；（2）采用PEG沉淀法提取bR；（3）使用NanoDSF监测色氨酸荧光变化（280 nm激发，330/350 nm发射比）评估蛋白热稳定性；（4）AUC分析超速离心（100,000×g）测定大分子沉降系数；（5）VP-CAP-DSC毛细管差示扫描量热仪（20-110°C，1°C/min）检测相变。

方法评估结果

AUC技术局限性：高粘度卤水（如M4型火星卤水）导致沉降系数分布异常（1.6-1.7 S和3.5 S峰消失），稀释后虽可检测但掩盖真实盐效应。

DSC技术障碍：卤水在升温过程中结晶（如BSS对照组），导致毛细管堵塞无法获取有效数据。

NanoDSF优化方案：密封石英毛细管可缓解结晶问题。纯化bR在M2（Meridiani平原型）和E2（Bresse盆地型）卤水中显示40-45°C熔解温度（Tm），低于BSS-LS对照组（70-75°C），证实其离液效应。但嗜盐膜蛋白低色氨酸含量导致信号弱，简化样本策略效果有限。

结论与意义

该研究揭示当前技术分析极端盐环境生物标志物的三大瓶颈：（1）高粘度干扰AUC沉降分析；（2）结晶现象限制DSC应用；（3）嗜盐蛋白特殊氨基酸组成（低Trp）影响NanoDSF灵敏度。尽管如此，NanoDSF仍被证实是评估复杂卤水-生物分子相互作用的首选方法，而新一代DSC技术（如坩埚式样品池）有望突破盐结晶限制。

这项研究为未来地外生命探测任务（如火星卤水钻探）提供了关键技术筛选标准：在铁离子浓度>2.3 M（如M3型卤水）时需谨慎避免蛋白矿化；对低Trp样本应优先考虑多参数联用而非简化系统。法国团队建立的卤水-生物分子相互作用评估框架，将推动极端环境生命标志物研究从单一盐溶液向复杂自然系统的跨越。