李慧林：人类如何适应不断变化的气候？来自火山口的答案

来自海洋火山口的微生物揭示了人类如何适应不断变化的气候。

　　

生物通报道：一组研究人员意外的发现，在世界上最极端的环境中有一些古老的微生物，与现代人类具有许多相关的共同点：它们的呼吸和能源节约采用的是类似的分子机制呼吸，这种机制已经适应了数十亿年来环境条件的变化。

美国文安德尔研究所，格鲁吉亚大学等处的科学家们详细介绍了参与微生物呼吸的分子复合物MBH的结构。这是MBH的第一个接近原子分辨率的结构图像，从图像上可以看出其结构与人类Complex I中的对应物非常相似。

这一研究成果公布在Cell杂志上，由文安德尔研究所的表观遗传学中心教授李慧林（Huilin Li）博士领导完成，李博士是国际知名的结构生物学家，在冷冻电镜（cryo-EM）研究领域拥有超过20年的经验（李慧林：解开生命基本法则的“环”之谜）。

几乎地球上的所有生命都依赖于呼吸作用，这是生物体内最基础的能量代谢活动之一，就人体而言，呼吸作用是由位于线粒体内膜上的四种呼吸链蛋白复合物分步完成的，这四种蛋白复合物分别为复合物I（NADH脱氢酶）、复合物II（琥珀酸脱氢酶）、复合物III（细胞色素c还原酶）和复合物IV（细胞色素c氧化酶）。以这些复合物为基础，可以聚合形成多层次的呼吸链超级复合物乃至超超级复合物，获得更高的稳定性和更高的能量转换效率。

而MBH被认为是一种古老的呼吸系统，它是从Pyrococcus furiosus中分离出来的，Pyrococcus furiosus是一种在沸水中生存的微生物，已经在海底火山口存在数十亿年了。这种恶劣的环境以其有毒的混合气体和极端温度著称，与不稳定的行星上存在的大气条件相似。

科学家们认为，MBH和Complex I是呼吸作用的重要组成部分，但是迄今为止，它们之间的进化联系还不清楚。最新研究指出的MBH结构也说明了一种比Complex I更简单的，将电能转换成化学能的机制。

李慧林博士说，“MBH的结构填补了一些重要的缺失部分，揭示了生命如何适应整个千年的环境变化的。这解决了生物学中一个长期存在的根本问题。”

研究指出，虽然这两种复合物的许多方面都是相似的，但Complex I具有更多的几个环结构，使它能够与比MBH进行更多的分子相互作用，这种适应可能随着地球大气的变化而出现。

文章的第一作者Hongjun Yu博士说：“这两个相互关联的系统通过重新组合其共享元件，来适应它们不同的生活条件，真是令人惊讶。这就像大自然正在玩自己的积木。”

这种差异性也反映在它们的代谢中——人类吸入氧气并呼出二氧化碳，这是由Complex I转化，而P. furiosus使用MBH排出氢气，这也许表明这种微生物也许可以作为清洁能源的工具。

这项研究采用的是文安德尔研究所高性能Titan Krios冷冻电子显微镜，这种显微镜能够成像人类头发宽度的1/10,000的分子。

作者简介：

Huilin Li, Ph.D

Huilin Li is an internationally recognized structural biologist with more than 20 years of experience in cryo-electron microscopy (cryo-EM). His current work focuses primarily on the structural basis of DNA replication, the bacterial proteasome system and regulation and modification of the Notch receptor.

Dr. Li earned his Ph.D. in electron crystallography from the University of Science and Technology Beijing, where he trained with the late Prof. K.H. Kuo. He then completed postdoctoral research in the labs of Dr. Bing Jap and Dr. Kenneth Downing at Lawrence-Berkeley National Laboratory, where he studied membrane channels and microtubule structure by cryo-EM. From there, he joined Brookhaven National Laboratory as an associate biophysicist, rising through the ranks to attain a tenured position. In 2010, he joined Stony Brook University as a professor in the Department of Biochemistry and Cell Biology while also maintaining a summer appointment at Brookhaven. He is now a professor in Van Andel Research Institute’s Center for Epigenetics.

原文标题：

Structure of an Ancient Respiratory System