细菌进化中的盲约会

蛋白质是细胞内几乎所有分子过程的关键参与者。为了履行其不同的功能，它们必须与其他蛋白质相互作用。这种蛋白质-蛋白质相互作用是由高度互补的表面介导的，这通常涉及许多氨基酸，这些氨基酸被精确定位以在两种蛋白质之间产生紧密、特定的配合。然而，关于这种相互作用是如何在进化过程中产生的，人们知之甚少。

经典进化论表明，任何涉及许多成分(如使蛋白质之间相互作用的氨基酸)的新生物学特征都是逐步进化的。根据这个概念，每个微小的功能改进都是由自然选择的力量驱动的，因为该功能会带来一些好处。然而，蛋白质-蛋白质相互作用是否也总是遵循这一轨迹尚不完全清楚。

由马尔堡陆地微生物学的马克斯普朗克研究员 Georg Hochberg 领导的国际团队采用高度跨学科的方法，现在对这个问题有了新的认识。他们的研究提供了明确的证据，证明高度互补和生物学相关的蛋白质-蛋白质相互作用可以完全偶然进化。

蛋白质在光保护系统中协同作用

研究小组在微生物用来适应压力性光照条件的生化系统中发现了这一点。蓝藻利用阳光通过光合作用生产自己的食物。由于大量的光会损害细胞，蓝藻进化出一种称为光保护的机制：如果光强度变得危险地高，一种名为橙色类胡萝卜素蛋白 (OCP) 的光强度传感器会改变其形状。在这种激活形式下，OCP 通过将多余的光能转化为无害的热量来保护电池。为了恢复到其原始状态，一些 OCP 依赖于第二种蛋白质：荧光恢复蛋白 (FRP) 与激活的 OCP1 结合并强烈加速其恢复。

“我们的问题是：允许这两种蛋白质形成复合物的表面是否有可能完全是偶然进化的，而不是通过直接的自然选择?” Georg Hochberg 说。“困难在于这两个过程的最终结果看起来是一样的，所以我们通常无法说明为什么某些相互作用所需的氨基酸会进化——是通过相互作用的自然选择还是偶然发生的。” 为了区分它们，我们需要一台时间机器来见证这些突变发生的确切历史时刻，”Georg Hochberg 解释道。

幸运的是，最近分子生物学和计算生物学的突破为 Georg Hochberg 和他的团队配备了实验室类型的时间机器：祖先序列重建。此外，柏林工业大学 Thomas Friedrich 小组多年来一直在研究的蓝藻光保护系统非常适合研究两种蛋白质成分的进化相遇。早期蓝藻通过水平基因转移从变形杆菌中获得 FRP 蛋白。后者本身没有光合能力，也不具备 OCP 蛋白。

为了弄清楚 OCP1 和 FRP 之间的相互作用是如何演变的，研究生 Niklas Steube 推断了数十亿年前存在的古代 OCP 和 FRP 的序列，然后在实验室中复活了这些序列。在将氨基酸序列翻译成 DNA 后，他使用大肠杆菌细菌细胞生成了它们，以便能够研究它们的分子特性。

一个幸运的巧合

柏林团队随后测试了古代分子是否可以形成相互作用。通过这种方式，科学家们可以追溯这两个蛋白质伙伴是如何相互认识的。“令人惊讶的是，甚至在基因转移发生之前，来自变形菌的 FRP 就已经与蓝藻的祖先 OCP 相匹配。因此，FRP 和 OCP 的相互兼容性在不同物种中完全独立地进化，Thomas Friedrich 说。这使该团队能够证明，他们相互作用的能力一定是一个幸运的意外：如果这两种蛋白质从未相遇，选择就不可能合理地塑造这两种蛋白质的表面以实现相互作用。这最终证明，这种相互作用完全可以在没有直接选择压力的情况下进化。

“这看起来像是一个非凡的巧合，”Niklas Steube 说。“想象一下，一艘外星飞船降落在地球上，我们发现它包含插头形状的物体，可以完美地插入人造插座。但是，尽管人们认为这种可能性不大，但这种巧合可能相对普遍。但事实上，当细胞内的定位或表达模式发生变化时，或者当新蛋白质通过水平基因转移进入细胞时，蛋白质往往会遇到大量新的潜在相互作用伙伴。Georg Hochberg 补充道，“即使只有一小部分这样的相遇最终产生了成效，但偶然的相容性可能是我们今天在细胞内看到的所有相互作用的重要部分的基础。因此，就像在人类伙伴关系中一样，