微生物膜帮助其在极端环境中生存

在温泉、火山口和深海热液喷口等恶劣环境中——大多数生命形式都不适合居住——微生物正在蓬勃发展。最近怎么样？这就是他们包装自己的方式。

斯坦福大学的研究人员发现了一种蛋白质，可以帮助这些生物形成保护性的脂质相关细胞膜，这是抵御极端酸性栖息地的关键。

科学家们已经知道，这群被称为古细菌的微生物被一层由不同化学成分组成的膜所包围，而不是细菌、植物或动物。他们一直认为这可能是在极端栖息地提供保护的东西。研究小组通过鉴定在酸硫龙虾物种中产生异常膜结构的蛋白质，直接证明了这一想法。

一些生物膜结构保留在化石记录中，可以用作分子化石或生物标志物，这暗示了它们很久以前就生活在环境中。例如，寻找保存的膜脂可以指示生物何时进化，它可能是环境的环境。展示如何创造这种保护膜可以帮助研究人员在未来了解其他分子化石，并为地球上生命的进化提供新的证据。研究结果发表在12月3日的《美国国家科学院院刊》上。

斯坦福大学地球、能源和环境科学学院地球系统科学助理教授Paula Welander说：“我们的模型是，这种生物进化出了制造这些膜的能力，因为它生活在酸度不断变化的环境中。”(斯坦福土地)。“这是我们第一次将一些脂质与古细菌的环境条件联系起来。”

稀有化学

研究发现，嗜酸乳杆菌中的温泉，如黄石国家公园中温度超过200华氏度的温泉，可能具有波动的酸度。这种生物也存在于火山口、深海热液喷口和其他中低温的酸性环境中。

韦兰德开始研究这种微生物，因为它含有稀有的化学物质，包括它不寻常的脂质膜。与植物和真菌不同，古细菌不产生纤维素的保护性外壁，它们的膜不含有与细菌相同的化学物质。她说，在实验于2006年停止之前，科学家们已经探索了大约10年，这个物种是如何产生其不寻常的膜的。

“我想我们已经忘记了有些事情还没有完成——自从我进入地球生物世界以来，我发现了很多东西，”韦兰德说。“那里有很多问题，我们只需要基础知识，比如‘蛋白质这是干什么的？这个膜结构真的能做到我们所说的吗？"

根据以前对古细菌的研究，Welander和他的团队知道这些生物会产生一种含有环状分子的膜，称为calditol。该组织认为，这种分子可能是该物种抵御其他生物死亡环境能力的基础。

为了找到答案，他们首先通过了嗜酸乳杆菌的基因组，并确定了三个可能参与钙离子产生的基因。然后他们一个接一个地变异这些基因，以消除这些基因产生的任何蛋白质。该实验揭示了一种基因，当发生突变时，会产生膜中缺乏钙离子的嗜酸乳杆菌。这种突变生物可以在高温下生长，但在高酸性环境下会枯萎，这表明蛋白质是制造异常膜和承受酸性所必需的。

这项工作尤其具有挑战性，因为韦兰德的实验室必须复制微生物生长的高温和酸性条件。她说，她实验室的大多数孵化器只能达到体温，所以第一作者、韦兰德实验室博士后研究员曾志瑞想出了如何用一个特殊的小烤箱来模仿一个有机体的家。

“这真的很酷，”韦兰德说。"我们做了许多尝试来找出化学反应."

人生的第三个领域

韦兰德说，这项工作不仅仅是寻找一种蛋白质。她的研究探索了当今微生物中发现的脂质，目的是了解地球的历史，包括古代气候事件、大灭绝和进化转变。但是在科学家能够解释进化特征之前，他们需要了解基础知识，比如如何创造新的脂质。

古细菌有时被称为“生命的第三领域”，其中一个领域是细菌，另一个领域是植物和动物——统称为真核生物。古细菌包括地球上一些最古老和最丰富的生命形式，没有它们，生态系统将会崩溃。古细菌是一种特殊的异常微生物，由于其独特的分子结构，总有一天会与细菌混淆，与下一代植物或动物相似。

这项研究特别有趣，因为古生物学的分类仍然受到分类学家的争议。经过20世纪70年代基因测序的发展，在过去的二十年里，它们只是从细菌和真核生物领域中分离出来。

“关于古生物学的一些差异，比如类脂，”韦兰德说。“古细菌现在是一个很大的研究领域，因为它们是我们想要学习和了解的不同领域——而且它们非常酷。”

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