光合細菌在塑造我們所知的世界方面發揮著關鍵作用。其中，藍藻以產生補充大氣的氧氣而聞名。現在，奧地利科學技術研究所 (ISTA) 的科學家發現這些生物體的工作方式發生了驚人的變化。曾經被認為能夠分裂 DNA 的生物系統已經進化到可以控制藍細菌細胞的形狀。研究結果發表於 科學提供蛋白質系統隨時間的變化以及這些生態上重要的細菌中多細胞生命的發展的新見解。
奧地利科學技術研究所（ISTA）Loose小組的博士後本傑明·斯普林斯坦（Benjamin Springstein）說：“藍藻是產氧光合作用的先驅。”
“它們對大約25億年前的大氧化事件負有責任。此時氧氣在大氣中積聚，並允許有氧生命存在。如果沒有這些東西，可以肯定地說，今天沒有人在這裡。”
即使在今天，藍藻對地球上的生命仍然很重要。它對全球生物量做出了重大貢獻，並在碳和氮循環中發揮重要作用。這些生物的適應性很強。它們生活在從溫泉到北極的極端條件下。以及城市屋頂和牆壁等表面。特別是魚腥藻物種。 PCC 7120（或簡稱魚腥藻）已被研究了三十多年，並作為了解多細胞藍藻的模型。
進化已將 DNA 系統轉變為細胞的建構模組。
Springstein 與 Martin Loose 教授的團隊合作，合作者來自 ISTA、蒙得維的亞巴斯德研究所（烏拉圭）、基爾大學（德國）和蘇黎世大學（瑞士）。他們發現魚腥藻和其他多細胞藍細菌可能正在經歷重大的演化變化。曾經用於在細胞分裂過程中分離 DNA 的古老系統已被重新改造為類似細胞骨架的結構，有助於確定細胞形狀。
解釋細菌中的DNA
與其他細菌一樣，魚腥藻會透過分裂成新細胞來繁殖。這個過程依賴 DNA 的正確複製和分配，以便每個新細胞都能接收生存所需的遺傳訊息。 DNA 緊密地包裹在染色體中。這類似於將一條線纏繞在一卷電纜上。並且經常以多個副本的形式出現，在分裂過程中必須可靠地傳遞。
細菌 DNA 有兩種主要形式。染色體含有生存所必需的基因。而質粒含有通常不需要的額外基因。質粒可以在細菌之間移動。使各種特徵迅速傳播並引起快速適應。
DNA分離系統的新作用
史普林斯坦自 2014 年以來一直在研究魚腥藻，研究其生物學和演化。在 COVID-19 爆發期間，當實驗室工作暫停時，他花時間查閱科學文獻，發現了一些意想不到的事情。
「我偶然發現了一個現象，」他回憶道。
他發現魚腥藻和一些相關的藍細菌在其染色體內編碼了一個名為 ParMR 的系統。傳統上，該系統與質粒分離有關。僅在質粒中發現，質粒是可移動的遺傳元件。這種不尋常的位置讓他懷疑這個系統可能已經適應了分離染色體。
作為 IST-Bridge 研究員加入 ISTA 後，Springstein 開始測試這個想法。他的實驗揭示了一些非常不同的東西。其中一種成分 ParR 不再與 DNA 結合，而是黏附在脂質膜上。尤其是細胞內膜。同時，ParM 不會在細胞質中形成結構來運輸 DNA，而是在內膜下形成絲狀網絡。它變成一層類似細胞膜的蛋白質聚合物。
相反，它的作用就像一個正常的 DNA 分離系統，在細胞內創建一個紡錘狀結構。該系統在膜水平上運行，似乎可以組織細胞結構。
行為類似細胞骨架的纖維
為了更好地理解這個系統是如何運作的。研究人員使用純化的成分在活細胞外重建了這個系統。在體外再生實驗中，他們觀察到纖維表現出動態不穩定性。它們生長然後迅速崩潰。這種行為類似於更複雜細胞中的微管。
進一步檢查 團隊與 ISTA 教授 Florian Schur 和他的博士生 Manjunath Javoor 合作，使用冷凍電子顯微鏡，使科學家能夠非常詳細地觀察分子結構。他們研究了這些纖維是如何產生的。他們發現，與其他細菌類似系統產生的極性菌絲不同，魚腥藻的菌絲是雙極的。這意味著它們可以從兩端增長和收縮。
此系統的喪失會導致細胞形狀改變。
當系統從活細胞中取出時，它的真正功能就會變得清晰。
「缺乏該系統的細胞會失去正常的方形細胞形狀。結果會變得又圓又腫，」斯普林斯坦解釋道。
當其他細菌中負責維持細胞形狀的基因被破壞時，經常會看到這種類型的變化。這清楚地表明該系統的主要作用是控制細胞結構而不是管理 DNA 碎片。
考慮到細胞中的新功能和位置，研究人員將系統重新命名為「CorMR」。
進化是如何重複使用古代系統的？
多細胞藍藻是從單細胞祖先逐漸演化而來的。而它們的複雜性隨著時間的推移而增加。蒙得維的亞巴斯德研究所副研究員 Daniela Megrian 進行生物資訊分析。烏拉圭 請協助澄清 CorMR 系統是如何誕生的。
改變不會一下子發生。相反，它可能是透過一系列變化而發生的。首先，系統從質粒變成染色體。後來，各種部件的尺寸和結構都發生了變化。然後它發展出與細胞膜結合的能力。它最終受到其他蛋白質系統的控制。
這些步驟共同將古老的 DNA 分裂機制轉變為塑造細胞本身的系統。這是一個清楚的例子，說明演化如何賦予舊的生物工具新的用途。
