小生物的大世界

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01   微小生物的巨型基因

一个基因可以有多大？

十年前，在基因组测序的早期，研究人员在 580 种细菌和古菌物种的基因组中搜寻大基因。 他们发现，所有鉴定出的基因中有0.2% 的长度超过5,000 个碱基，其中 80 个是“巨型基因”，即大于 15,000 个碱基的基因。 从这个角度来看，原核基因的平均长度在 900 到 1,200 个碱基之间。

有一种细菌，绿硫细菌Chlorobium chlorochromatiii CaD3菌株中发现了两个最长的基因。这些基因编码36806和20647个氨基酸，相应的基因长度分别为110418和61941个碱基。

在进行这项研究时，这些巨型基因的长度仅超过38,138 个氨基酸的人类肌联蛋白编码序列。现在，科学家们已经确定了一系列长度超过 100 万个碱基的基因。

多酶复合物的结构 

图片来源：microbialmenagerie

绿硫细菌会主动利用量子效应来调节光合作用进程。

绿硫细菌是世界上最古老的光合细菌之一，早在遥远的三十多亿年前，它就诞生了。

早期的地球极端缺氧，绿硫细菌是一类厌氧型光合细菌。

虽然细菌世界的生物体倾向于简化、高效的基因组，但这些巨型生物却被忽视了，从他们编码的蛋白质类型可以解释。

超过 90% 的巨基因编码表面蛋白，例如转运蛋白或粘附，或多酶复合物，它们按顺序工作，将底物转化为所需的产物，通常是抗真菌或抗菌化合物。

在与其他微生物竞争营养或领土时，这些微生物武器可以为携带这些巨大基因的生物带来优势。 多酶复合物通常由基因组中并排排列的基因编码，这使得基因很容易同时关闭和开启。或许，将这些单独的基因融合成一个巨大的基因只是方便而已。

但是制造如此巨大的蛋白质是一个相当大的负担，需要花费大量的时间、精力和‘材料’。

一般在最佳条件下，一个细胞可以在一秒钟内将40个氨基酸拼合在一起。一种“正常”的蛋白质可以在几秒钟内制造出来。

研究中发现的最大的Chlorobium chlorochromatiii蛋白质需要至少15分钟才能形成。对我们人类来说，这似乎仍然很快，但细菌的生命周期大约持续20分钟到几个星期。

如果细菌生长得很快，为什么还要费心从巨大的基因中制造蛋白质呢？目前猜测巨型基因可能只在生长缓慢的时期或在生长缓慢的生物体中有用。

毫无疑问，这些基因中的大多数是在环境细菌中发现的，这些细菌往往复制较慢，生活在盛宴和饥荒的循环中。

前面所说的研究得到的80个巨型基因，其中47种来自植物。当这项研究进行时，大多数被测序的细菌都是人类病原体。

即使基因组数据偏向于病原体，巨型基因也优先出现在非致病性环境细菌中，这一发现进一步支持了巨型基因在病原体中罕见，在环境细菌中更常见的说法。

近20年来，研究者们发现了量子力学在某些生物过程中的重要作用，尤其是解决了生物学的一个大难题——光合作用的效率。

在绿硫细菌体内， 一种叫做FMO的复合物，用于捕获光能； 而菌绿素，就像植物叶绿素一样，  是光合作用发生的场所。

在无氧状态下，FMO的两个电子态的能级之差和菌绿素分子的振动能量一致。

于是，通过电子振动耦合，  开启了一条能量转移的“高速公路”，  能量畅行无阻地直通光合作用的“反应中心”，  那里充满了菌绿素分子。

02  肉眼可见的细菌（epulopisciumfishelsoni）

人们普遍认为细菌是微小的，隐蔽的，肉眼看不见。但是这种细菌，epulopisciumfishelsoni，是一种微生物庞然大物，你单凭人眼就能看到。

Epulopisicium 细胞

图片来源: Alan Cann

这种巨大的细菌于 1985 年首次在红海的一条棕色刺尾鱼的肠道中被发现，由于体型巨大，它首先被归类为原生生物。1993 年，rRNA 测序显示这种生物实际上是一种细菌。

Epulopiscium 的长度在 10 到 20 倍之间变化，体积是典型细菌的 2,000 多倍。它们的长度从 200 到 700 微米不等，大约是一粒食盐的大小。 但规模大也有其缺点。

随着细胞尺寸的增加，表面积和体积都会增加。 麻烦来了，因为体积增加比表面积快得多。这种增加的体积对巨型细菌提出了典型细菌不面临的挑战。

由于体积小，细菌可以使用简单的扩散将分子和营养物质输送到细胞膜内和细胞内。

但是，当细胞大小增加时，扩散变得太慢而无法发挥作用。 为了克服扩散问题，Epulopiscium 细胞膜是皱巴巴的，而不是平坦、光滑的表面。皱纹增加了膜的表面积，分子可以在其中扩散和运输到细胞中。

大细胞，例如真核生物体内的细胞，进化出内部结构以更有效地在细胞内运输分子。然而，Epulopiscium 细胞不包含这些结构。但是他们已经进化出其他方法来处理运输问题。

Epulopiscium生活在刺尾鱼的肠道中

图源：Paul Asman 和 Jill Lenoble

2008 年，研究人员在细胞内发现了极其大量的 DNA。Epulopisicium细胞可以含有85pg-250pg 的DNA，或大约是人类细胞DNA 的14-42 倍。

要知道，大肠杆菌细胞仅含有0.017 pg DNA，这意味着 Epulopsicium 含有的 DNA 是典型细菌的 5,000 到 15,000 倍。 如此大量的 DNA 不仅仅是一条染色体——每个细胞都包含其基因组的数千个副本。 这意味着相同基因的副本分散在细胞周围，导致基因表达可以在局部发生，而无需大规模扩散。这种巧妙的进化和适应让我们叹为观止。

Epulopiscium 是微生物多样化生活方式的又一个例子，它的出现预示着，我们在最不起眼的地方和最惊人的形式中发现了微生物。  Epulopsicium 违背了微生物的传统观点，让我们想知道：对于细菌来说，多大才算太大？

03  世界上最坚韧的细菌：耐辐射奇异球菌(Deinococcus radiodurans)

外太空环境对大多数生命极为有害。一旦进入太空，物体就会受到宇宙辐射、太阳紫外线辐射、极端真空和显著的温度波动的冲击。

听起来，如果没有复杂的保护系统，比如宇航员使用的保护系统，任何生物都无法生存的环境。尽管环境极端，但一种名为耐辐射球菌(Deinococcus radiodurans)的细菌在国际空间站外的低地轨道上呆了一年后，最近被回收。

五居里电离辐射可以杀死一个人；

数百居里电离辐射以杀死大肠杆菌； 

四千居里电离辐射可以杀死节肢动物。

比所有这些更难对付的是耐辐射球菌Deinococcus radiodurans。

耐辐射奇异球菌Deinococcus radiodurans，这是世界上最坚韧的细菌之一。它是一种极端微生物，也是地球上已知的抗辐射能力最强的生物之一。它对许多恶劣条件的耐受性赢得了“细菌柯南”的称号，以电影“野蛮人柯南”命名。

D. radiodurans 是一种球形细菌，四个单独的细胞通常粘在一起形成一个方形的簇（如下图）。 除了抗辐射外，D. radiodurans 还抗紫外线和干燥。

D. radiodurans

图源：Michael Daly, Uniformed Services University, Bethesda, MD, USA.

它能承受五千个居里，这种力量能将它的DNA分裂成数百个碎片。然而，它在不到一天的时间里就把这些碎片重新组装起来了。

怎么办到的？

D. radiodurans有四个基因组拷贝。

大肠杆菌只有一种。

这些额外的副本很重要。

简单讲，如果你有一条项链，只有一条，随机串着各种珠子，如果它敲碎或断了，你会如何正确地把它重新组合起来？

但是如果你有四条项链，每条都是随机断开的，一个碎片上的图案可以与另一个碎片上的图案相匹配。

断裂的DNA片段以这种重叠的模式找到彼此，彼此紧紧相连，维持生命，同时它们又被细胞中的蛋白质和酶重新组合在一起。

断裂的DNA片段以这种重叠的模式找到彼此，彼此紧紧相连，维持生命，同时它们又被细胞中的蛋白质和酶重新组合在一起。

以此类推，直到基因组重组。

近年来，研究人员已经开始在生物技术和生物修复中使用Deinococcus，因为它们具有独特的生长和表达新型工程功能蛋白的能力。

最近，几个Deinococcus属的测序结果和比较基因组分析为该属的潜在功能研究提供了新的思路。这些知识加上对不同Deinococcus物种进行遗传修饰的能力，使得构建能够利用有机废物和木质纤维素生物质，并提高对各种非生物和生物胁迫耐受性的工业菌株成为可能。但是，快速构建具有成本效益的菌株的一个关键方面是对底盘生理的了解以及可靠的代谢模型的可用性。

主要参考文献：

Reva O, Tümmler B. Think big–giant genes in bacteria. Environ Microbiol. 2008 Mar;10(3):768-77. doi: 10.1111/j.1462 2920.2007.01500.x. PMID: 18237309.

http://www.cshlp.org/ghg5_all/section/gene.shtml  Guide to the Human Genome

Jennifer Tsang,Giant Genes for Tiny Organisms, Posted on February 4, 2018  

A unique symbiosis in the gut of tropical herbivorous surgeonfish (acanthuridae: teleostei) from the red sea. Science. 1985 Jul 5;229(4708):49-51. doi: 10.1126/science.229.4708.49. PMID: 17795131.

A unique symbiosis in the gut of tropical herbivorous surgeonfish (acanthuridae: teleostei) from the red sea. Science. 1985 Jul 5;229(4708):49-51. doi: 10.1126/science.229.4708.49. PMID: 17795131

Angert ER, Clements KD, Pace NR. The largest bacterium. Nature. 1993 Mar 18;362(6417):239-41. doi: 10.1038/362239a0. PMID: 8459849.

Mendell JE, Clements KD, Choat JH, Angert ER. Extreme polyploidy in a large bacterium. Proc Natl Acad Sci U S A. 2008;105(18):6730-6734. doi:10.1073/pnas.0707522105

A Decade of Biochemical and Structural Studies of the DNA Repair Machinery of Deinococcus radiodurans: Major Findings, Functional and Mechanistic Insight and Challenges. Computational and Structural Biotechnology Journal. 2016.

Jennifer Tsang，Meet a microbe: Deinococcus radiodurans， March 16, 2017