如果不是因为COVID-19大流行，分子生物学家几十年来一直无法解开的进化之谜可能永远也不会解开。

“被困在家里是一种因祸得福，因为没有实验可以做。悉尼新南威尔士大学的结构生物学家和分子生物物理学家保罗·库米教授说：“我们只有电脑和大量的时间。”库米教授指的是本月发表在《自然通讯》上的一项研究，该研究详细阐述了单细胞光合生物系统中一种关键蛋白质的分解和重建过程一种叫做隐生植物的有机体，一种在十亿年前进化出来的藻类。

到目前为止，隐生植物是如何获得蛋白质的，这些蛋白质被用来捕捉和收集阳光供细胞使用的，这让分子生物学家们挠头不已。他们已经知道这种蛋白质是生物体用来将阳光转化为能量的一种天线的一部分。他们还知道隐生植物从其光合祖先红藻那里继承了一些触角成分，在那之前，蓝藻是地球上最早的生命形式之一，负责叠层石的形成。

但是隐生植物自身的蛋白质结构是如何结合在一起的，新的天线结构一直是个谜——直到库米教授，昆士兰大学和不列颠哥伦比亚大学的博士生Harry Rathbone及其同事仔细研究了中国研究人员于2020年3月公布的一种红藻前体生物触角蛋白的电子显微镜图像。

解开谜团意味着研究小组最终可以讲述这一过程蛋白质使这些古老的单细胞有机体能够在最恶劣的条件下茁壮成长——在水下几米处，只有很少的阳光直射才能转化为能量。

库米教授说，这项工作的主要意义在于进化生物学。

“我们提供了两个非常不同的天线系统和他说：“打开一扇探索一个系统是如何进化成另一个系统的大门，在这个系统中，两个系统似乎都能非常有效地捕捉光，光合藻类有许多不同的天线系统，这些天线系统的特性是能够捕捉每一个可用的光光子，并将其转移到一种光系统蛋白质中，这种蛋白质能够将光能转化为化学能。“通过研究藻类系统，科学家们希望揭示这些光合作用系统的光子效率的基本物理原理。Curmi教授说，将来有一天，这些蛋白质可能会应用于包括太阳能系统在内的光学设备中。

为了更好地理解蛋白质发现的重要性，这有助于理解单细胞生物的奇怪世界，它将格言“你吃什么你就是什么”推向了一个新的高度。

作为研究的主要作者，博士生Harry Rathbone解释说，当一个单细胞生物吞噬另一个单细胞生物时，它可以进入一种内共生关系，一种生物生活在另一种生物的体内，两种生物变得不可分离。

“通常与藻类一起，它们会去寻找午餐——另一种藻类——它们会决定不去消化它。拉斯伯恩表示：“从本质上说，他们会让它继续竞价。”这些新的有机体也可以被其他有机体以同样的方式吞食，有点像一个马托斯卡娃娃。”

事实上，这很可能发生在大约15亿年前，一个蓝藻被另一个单细胞有机体吞食。蓝藻已经有了一个复杂的蛋白质天线，可以捕获每一个光子。但是，宿主没有消化蓝藻，而是有效地将其部分剥离——保留了新生物——红藻——用来获取能量的触角蛋白结构。

当另一种生物吞下红藻成为第一种隐生植物时，情况也类似。除此之外，这一次天线被带到宿主细胞膜的另一边，并被完全改造成新的蛋白质形状，在捕获阳光光子方面同样有效，这些是现代植物和其他光合生物（如海藻）进化的第一小步。从光合的蓝藻到地球上其他一切光合生物，一些远古的祖先吞噬了一种蓝藻，然后蓝藻变成了细胞的叶绿体，可以将阳光转化为化学能。

“生物体之间的交易有点像，只要你进行光合作用并给我能量，我就保证你的安全。”

这个项目的合作者之一，贝弗利·格林博士，不列颠哥伦比亚大学植物学系的Emerita教授说，Curmi教授能够从不同的角度来研究这个问题，从而得出这一发现。

“paul的新方法是根据形状而不是氨基酸序列的相似性来寻找祖先的蛋白质，”她说。

“通过搜索两个红藻多蛋白复合物的3D结构，其蛋白质片段的折叠方式与隐生植物蛋白质相同，他能够找到缺失的拼图。”

Journal Reference:

Harry W. Rathbone, Katharine A. Michie, Michael J. Landsberg, Beverley R. Green, paul M. G. Curmi. Scaffolding proteins guide the evolution of algal light harvesting antennas. Nature Communications, 2021; 12 (1) DOI: 10.1038/s41467-021-22128-w