揭示深海熱液古菌**共同祖先的代謝特征

近日，上海交通大學生命科學技術學院/微生物代謝國家重點實驗室肖湘團隊與自然科學研究院洪亮團隊合作，以分離培養的具有古老的演化地位和獨特代謝共性的深海熱液超嗜熱古菌和嗜熱**為切入點，借助自主改良的深度學習AlphaFold2技術和中子散射實驗，**應用高通量蛋白結構組研究早期生命代謝，揭示了深海熱液古菌**共同祖先的代謝特征。該研究成果以“Proteome-wide 3D structure prediction provides insights into the ancestral metabolism of ancient archaea and bacteria”為題，發表在國際權威雜志《Nature Communications》上。上海交通大學生命科學技術學院趙維殳助理研究員與自然科學研究院本科生鐘博子韜為本文的共同**作者，生命科學技術學院肖湘教授和自然研究院洪亮教授為本文的共同通訊作者。

以現有生命追溯、重建演化過程和早期生命形式是研究生命起源和演化的一種重要思路。通常，研究者會基于基因組比較來推測早期生命的代謝特征，但高可變的基因組往往難以清晰地揭示演化脈絡和模式。本研究獨辟蹊徑，應用基于高通量AlphaFold2深度學習技術，預測了近萬個蛋白分子的3D結構，引入蛋白結構組，對深海熱液來源的具有相似代謝功能的古老的超嗜熱古菌和嗜熱**的代表菌株，通過對序列、結構、功能三方面進行比較分析，重構了古菌**共同祖先的代謝特征。令人驚奇的是，這些結構在古菌**中保守的代謝模塊，與實驗驗證的前生命化學過程高度重合，這一發現為生命起源的研究提供了新視角和新方法。此外，通過中子散射實驗對本研究中不同菌種的柔性系數做了定量表征，在不同生長溫度范圍的古菌和**中建立了宏觀柔性和其耐熱能力的關系。

本研究選取了超嗜熱古菌Thermococcus eurythermalis A501和嗜熱代表**Zhurongbacter thermophilus 3DAC比較兩者序列、結構、功能之間的異同。這兩株菌均來自深海熱液口，而深海熱液區被認為是生命的搖籃之一。綜合考慮兩株菌株功能相似蛋白質對的序列和蛋白結構異同，可以將蛋白質對劃分到3個不同的組：(i) 具有相似結構和相似功能的直系同源序列；(ii) 具有相似結構和功能的非直系同源序列； (iii) 結構不同但功能相似的非直系同源序列。一些蛋白質對結構相似，但基因序列差異性很大，進一步證明了和序列相比，蛋白質結構和功能的關聯度更大。通過將不同組的蛋白質對映射到代謝途徑中，我們發現兩株菌株中的蛋白質進化不是發生在單個蛋白質水平上，而是以代謝模塊為單位發生的。譬如，兩株菌株糖酵解的中半部分（從 DHAP 到乙酰輔酶 A）涉及的蛋白質都屬于(i)組，而糖酵解和脂質生物合成連接通路上的蛋白（DHAP 到 G13P2）都屬于（ii）組。以此劃分的代謝模塊可用于揭示蛋白質的不同來源和不同的演化歷史。這在以往基于序列的分析中從未被發現。

進一步對保守蛋白結構分析揭示了**和古菌共同祖先（ABCA）的保守代謝模塊。這些保守的代謝模塊包括糖酵解的中半部分（從 DHAP 到乙酰輔酶 A）、嘌呤和嘧啶的生物合成、一些必需氨基酸（即 Asp、Glu、Ser、Gly 和 Thr）的代謝、一些必需輔因子的生物合成（即 NAD（ P)+ 和 CoA)、具有 MBH 和 MBS 的能量呼吸、大多數氨酰-tRNA 連接酶和部分核糖體蛋白等，推測它們本就存在于共同祖先ABCA中，而后被遺傳給了**和古菌。

有趣的是，本研究發現結構保守的代謝模塊與前生命化學過程高度重合，譬如中心碳代謝的保守代謝模塊與已經被證實的前生物合成途徑一致性高，由現有生命推測生命起源的逆推過程與從化學反應走向生命起源的正推過程出現了交匯，同時也從側面證明了我們通過蛋白質預測結構獲得的保守代謝模塊絕非巧合。

本研究**應用高通量蛋白結構研究早期生命代謝，建立了蛋白結構組的新方法，發現蛋白的起源和演化不是孤立的而是以代謝模塊為單位，保守的蛋白結構揭示了共同祖先的保守代謝模塊，并**發現結構保守的代謝模塊與前生命化學過程高度重合，為祖先代謝重組和生命起源研究提供一種新的研究思路，部分驗證了高通量蛋白質結構預測在生命起源和演化研究中的重大潛在價值。

本研究獲得了國家自然科學基金**群體（41921006）、青年基金（42106087）和面上項目（11974239、31630002）的支持，上海人工智能實驗室、上?？莆?、上海教委重大項目、上海市浦江人才計劃（22PJ1406900）的支持，以及上海交通大學交叉學科研究基金（YG 2016QN13）和“深藍計劃”（SL2021PT103）的支持。