探索生命第三種形式——古菌

2020-11-25 澎湃新聞

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古菌是目前生物地球化學研究熱點之一，圍繞「古菌」展開的關於生物起源的「二域學說」和「三域學說」的世紀爭論是21世紀生物學的焦點問題之一。近日，深圳大學高等研究院李猛教授團隊報導了新的阿斯加德古菌門類，並通過實驗驗證了它們的基因組中所存在的真核生物曾特有的ESCRT系統功能，為生物二域和三域的研究提供了新的成果支撐。

世紀爭論迎來新的研究成果

炎炎烈日，海浪拍打聲陣陣傳來，茂密的紅樹林下人影搖晃，伴隨著三三兩兩的談話聲。走近細看，三兩個小夥子穿著防護衣，面色漲紅，手裡拿著接近1米長的空管往土壤裡深插……

這是深圳大學高等研究院李猛課題組外出深圳紅樹林採樣的一個場景。2011年，31歲的李猛在香港大學取得微生物生態學與環境毒理學博士學位，2014年，他加入深圳大學高等研究院，2016年成為深圳大學的特聘教授。目前李猛帶領著一支近30人的團隊對古菌領域進行研究。由於紅樹林溼地古菌多樣性豐富，具有明顯的分層分布的特點，紅樹林溼地成為李猛團隊研究採樣的重要基地。

李猛的課題組在深圳灣進行採樣 課題組潘老師供圖

經過近7年的研究，李猛帶領其團隊先後在深圳福田紅樹林溼地中發現若干新穎的古菌門類，展現了豐富多彩的古菌世界。同時，他們運用基因組學探討了古菌類群的生理生化代謝功能，首次報導了阿斯加德古菌的第六個門類——葛德古菌門（Gerdarchaeota），拓展了人們對古菌物種和代謝功能多樣性的認識。

值得一提的是，李猛的團隊通過對阿斯加德古菌和真核生物的對比研究，發現阿斯加德古菌中存有真核生物ESCRT系統的關聯體。ESCRT系統長期以來被認為是真核細胞中特有的存在，但近年研究發現，古菌基因組中也攜帶真核生物ESCRT樣的同源蛋白基因。4月17日，李猛團隊在美國微生物學會旗下的《mBio》發表關於古菌ESCRT系統的研究成果，為「二域學說」和「三域學說」的研究提供了新的支撐。

顯微鏡下的阿斯加德古菌 圖源網絡

「二域學說」VS「三域學說」，仍無定論

真核生物有細胞核，原核生物沒有細胞核，真核生物與原核生物是對生物最初的劃分。

1977年，美國科學家卡爾·沃斯（Carl Woese）和喬治·福克斯（George Fox）確定了地球第三種生物形式——古菌。卡爾·沃斯在1990年首次提出三域學說，把自然界分為三大領域，分別為細菌域、真核生物域以及古生菌域。

1984年，詹姆斯·雷克（James.Lake）及其同事通過核糖體形態的演化分析發現，相對於真細菌和其它古菌而言，真核生物與原核的泉古菌具有更近的親緣關係。由此，他們提出了不同於「三域學說」的「泉古菌假說」，即真核生物起源於屬於古菌領域的泉古菌，稱為「二域學說」。李猛表示，「二域學說」指的是整個生命體系最初只有細菌和古菌，真核生物是從古菌裡演化出來。

事實上，古菌是一個「四不像」，它與細菌有很多相似之處，又與真核生物有許多特徵相似。李猛表示，古菌的細胞形態、細胞結構與細菌相似，但在基因組複製、轉錄與翻譯等遺傳信息傳遞體系上更靠近真核生物。此外，與細菌和真核生物都不同，古菌的細胞膜結構是相對獨立的。「基於這些證據，美國科學家卡爾·沃斯認為這屬於第三種生命形式。」李猛說道。

二域學說和三域學說各自構建的生命進化樹圖

課題組潘老師供圖

2018年3月，李猛的團隊受微生物領域核心雜誌《Applied Microbiology and Biotechnology》邀請，發表《Two or three domains: a new view of tree of life in the genomics era.》綜述性文章，概述生物二域與三域的爭論始末。2020年3月16日，李猛的團隊在《Science China Life Science》發表學術論文，首次報導了阿斯加德古菌的第六個新門——葛德古菌門（Gerdarchaeota）；2020年4月17日，李猛的團隊在《mBio》發表關於古菌ESCRT系統的研究成果，揭示了阿斯加德古菌ESCRT核心蛋白Vps4與真核生物中同源蛋白在功能進化中的關聯性，提示真核生物ESCRT可能來源於阿斯加德古菌。

然而，李猛說道：「我們現在還缺乏足夠的證據，關於真核生物來源於阿斯加德古菌的推論尚未確定，地球生命起源的二域論和三域論之爭還將長期延續下去。」

古菌，生命的極限

「古菌」這一概念早在1977年就被提出，隨著阿斯加德古菌的發現，近兩年關於「真核生物是不是起源於古菌」的爭論，使古菌成為研究者們熱議的話題。根據李猛的統計，現在國內從事古菌研究的科研機構有20餘個，包括至少4個國家重點實驗室和多個國家自然科學基金委創新團體。

談到古菌研究的價值，李猛說道：「一方面是追尋生命的起源，另一方面是國家重大需求所在。」拋開二域論與三域論的爭論，古菌對於人類是一個什麼樣的存在？不止外行人員，李猛其他研究領域的同行也提出了疑問。「說白一點，大家就是問你做這個東西有什麼用。」李猛說道。

事實上，古菌代表著生命的極限，確定了生物圈的範圍。例如熱網菌屬能在高達121攝氏度的溫度下存活並生長，這是至今為止所發現的最耐熱的生物。目前發現的最耐熱、最耐高鹽、最耐酸或鹼及極端厭氧的生物均是古菌。

根據古菌的生活習性和生理特性進行劃分，古菌可分為三大類型：產甲烷菌、嗜熱嗜酸菌、極端嗜鹽菌，它們的應用前景各有不同。

古菌的分類和應用 張曉璇製圖

古菌中的產甲烷菌，能將無機或有機化合物轉化成甲烷。由於全球氣溫升高，南北極冰川融化，原本凍土層裡的產甲烷菌活性升高，產甲烷的「積極性」隨之提高。甲烷既是加劇全球變暖的「兇手」，也是一種可再生的能源。如何趨利避害，對產甲烷菌的深入了解和研究就顯得尤為重要。

在鹽濃度高達38%的鹽湖中也棲息著一類古菌——極端嗜鹽古菌。它們分泌的胞外酶具有耐高鹼高鹽的特性，在製革工業、高鹽有機廢水處理和泡菜加工等醃製食品方面發揮重要作用。同時極端嗜鹽古菌合成的聚酯PHA可以完全降解，被認為是一種「綠色塑料」。它可以替代不可降解的傳統塑料，在生物醫學工程領域有很大的應用價值。

「我們研究的這個東西才剛開始，希望在國內能夠帶動更多的人來關注這個領域。所以才這麼積極地推一些重大項目。」李猛說道。

團隊壯大，亦難解科研困難

10月30日，蔡銘偉完成了他的出站答辯，結束了他在李猛課題組三年的研究與學習，成為李猛課題組離站博士後的一員。

2014年，深圳大學高等研究院開始籌建。同年7月，李猛作為深圳大學高等研究院第一批專職教員加入深大高等研究院。剛來深大時，整個團隊還只有李猛自己一人，「前半年基本上都是在寫文章和項目申請」，他說道。直到2015年實驗室開始組建，才陸續有博士後加入李猛的團隊。如今，在李猛眼裡，團隊裡的博士後們已經是「挑大梁」的存在。

團隊在慢慢壯大，但一些研究的困難並不是人數增多就能克服的。富集培養一直是古菌研究中的一個難題，即利用不同微生物間不同的生命活動特點，提供一些特定的環境條件，使研究需要的古菌旺盛生長，形成數量上的優勢，更利於古菌的分離。蔡銘偉介紹到，曾有一位日本科學家，用了12年時間在富集培養分離古菌。博士後進站到離站的時間只有2-3年，全部時間用來做富集培養並不現實，蔡銘偉只能邊做數據分析，邊做富集培養。

對於劉力睿來說，除了研究本身的困難，實驗的被迫耽擱也讓她覺得「很難」。受疫情影響，博士後5月6日才得以返校。團隊中有些人前期已有一些樣品和數據，在實驗室未開放期間，他們可以做一些數據分析或寫文章。但對於去年年底剛剛入站的劉力睿來說，疫情極大阻礙研究進展，她說道：「採樣、實驗都被耽擱了，現在時間挺趕的。」

科研的困難是不可避免的，「但最後看到結果的時候是很有成就感的。」劉力睿說道。對於蔡銘偉來說，把環境裡多種不同種類的微生物分離，得到顏色五彩繽紛和形態各異的微生物，是一件很有意思的事。他也熱衷於畫圖，如古菌代謝圖和全球古菌分布分類圖等，當找到一些有意思的數據時，他就會把它們畫成圖表。

深古菌代謝通路圖 作者蔡銘偉

談到出站後的計劃，蔡銘偉毫不猶豫地說：「繼續古菌研究。」

（本文刊載於126期新新報特稿版）

文字 | 王碧海 林嘉敏 廖婉儀

胡依婷 陳家鵬 劉靜雯

尚昕怡 申 奧

原標題：《新聲代 | 探索生命第三種形式——古菌》

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