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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。
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。