2022年11月24日，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院司同課題組與南方科技大學張傳倫教授課題組合作，在國際學術(shù)期刊 Angewandte Chemie International Edition 發(fā)表了題為：Biosynthesis of Hybrid Neutral Lipids with Archaeal and Eukaryotic Characteristics in Engineered Saccharomyces cerevisiae 的研究論文。

研究團隊依托深圳合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施（以下簡稱合成生物“大設(shè)施”）利用釀酒酵母作為底盤，首次在真核細胞中實現(xiàn)古菌來源極性細胞膜脂的異源合成，意外觀測到兼具真核特征和古菌特征的雜合中性脂（DGGGO-FA）。

研究團隊進一步解析了該類新穎化合物的合成機制，通過生信分析及實驗表征，提出并部分驗證了古菌可能合成類三酰甘油（TAG）分子用于能量儲存的假說，對科學界的普遍認知提出挑戰(zhàn)。

生命之樹分為三個領(lǐng)域：細菌（Bacteria）、真核（Eukarya）及古菌（Archaea）。

1977年，美國微生物學家 Carl Woese 通過16S/18S rRNA序列系統(tǒng)發(fā)育分析偶然發(fā)現(xiàn)了古菌，據(jù)此將原核生物分為兩大類：細菌和古菌，與真核生物一起構(gòu)成了生命起源的三域系統(tǒng)生命樹假說（Three-Domain）。

1988年，James Lake 基于核糖體結(jié)構(gòu)類似性及進化簡約性分類方法，揭示了真核生物是古菌的一個分支，暗示著真核生物可能來源于古菌，提出了二域系統(tǒng)生命樹假說（Two-Domain）。古菌是單細胞原核微生物，無細胞核、無內(nèi)膜系統(tǒng)、具備環(huán)狀基因組及缺乏剪接體內(nèi)含子，在細胞結(jié)構(gòu)、代謝方面與細菌接近；但在DNA復制、轉(zhuǎn)錄和翻譯等生物學中心過程上，則與真核生物更密切。人類屬于真核生物。古菌是真核生物的兄妹（三域假說），還是父母（二域假說）？這是生命演化的重大問題之一。

三域系統(tǒng)

二域系統(tǒng)

宏基因組技術(shù)的發(fā)展導致了Asgard古菌的發(fā)現(xiàn)，許多Asgard古菌的基因組攜帶大量真核標記蛋白（Eukaryotic Signature Proteins，ESP）編碼基因，在演化關(guān)系上是目前與真核生物起源距離最近的原核生物。

Asgard古菌的發(fā)現(xiàn)被認為傾向支持二域系統(tǒng)生命樹假說：約在18-20億年前，Asgard譜系的古菌祖先首先獲得了原始的細胞骨架系統(tǒng)，具有膜變形和核內(nèi)體物質(zhì)分選運輸?shù)哪芰Γ缓笈cAlpha變形菌門的細菌發(fā)生了“內(nèi)共生”，并逐漸進化成現(xiàn)代真核生物中最重要的細胞系-線粒體，成為真核生物起源的關(guān)鍵一步。

然而，內(nèi)共生學說也面臨許多挑戰(zhàn)，其中一個重要的未解之謎，是為何現(xiàn)存組成真核細胞與古菌細胞的細胞膜脂分子骨架具有相反的手性？現(xiàn)代細菌和真核細胞的膜脂主要由甘油-3-磷酸（G3P）為骨架，而古菌細胞膜則以甘油-1-磷酸（G1P）為基本母核結(jié)構(gòu)，這一現(xiàn)象被稱為膜脂分界（Lipid Divide）。這一現(xiàn)象極其不同尋常，因為組成地球生命的有機分子通常具有單一手性，如L型氨基酸、D型核苷酸等。基于內(nèi)共生理論，現(xiàn)代真核細胞應(yīng)該來源于古菌宿主，但是其細胞膜脂的手性卻與古菌相反、與被內(nèi)吞的細菌類似。膜脂分界和二域生命樹看似存在不可調(diào)和的矛盾，這是真核起源的重大謎題之一。在之前的研究中，科學家們基于脂質(zhì)體（liposome）、細菌等構(gòu)建了兼具G1P和G3P的雜合膜脂模型，但尚未成功構(gòu)建真核-古菌雜合模型，以更直接的研究真核膜脂起源的問題。

釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）是一種模式真核微生物，具有詳盡的遺傳生化研究和豐富的合成生物學工具，是研究古菌-真核膜脂演化的理想宿主。依托合成生物“大設(shè)施”，作者采用模塊化DNA組裝方法，規(guī)?；瘶?gòu)建了古菌細胞膜極性脂的生物合成通路，在酵母底盤中“即插即用”式引入產(chǎn)甲烷古菌、硫化古菌、Asgard古菌等不同來源的關(guān)鍵合成基因，成功合成了具備古菌醚鍵特征的極性脂（圖1）?；谶@一模型，作者發(fā)現(xiàn)釀酒酵母中竟然也具有合成G1P能力。與此同時，作者首次獲得生化實驗證據(jù)，支持Asgard古菌來源的GGGPS、DGGGPS酶可以合成兼具G1P、G3P手性的雜合膜脂（圖2）。這些觀察說明膜脂分界并非像人們原來認為的那樣嚴格。

圖1：重組酵母中古菌特征脂類合成途徑（藍色背景）及酵母內(nèi)源脂類合成途徑（黃色背景）

圖2a，重組酵母Gty-Ma脂類合成，離子峰1-4：古菌極性脂；藍色背景離子峰：5，不飽和古菌醇DGGGOH；其他，DGGGO-FAs；黃色背景離子峰：酵母內(nèi)源TAG。b，古菌細胞膜極性脂類合成關(guān)鍵酶/通路功能表征。

值得注意的是，作者在重組酵母中意外發(fā)現(xiàn)了一系列中性脂分子 （圖2，藍色背景離子峰） 。作者利用NMR、高分辨質(zhì)譜、串聯(lián)質(zhì)譜等多種分析手段，指認該類化合物的分子結(jié)構(gòu)為新穎的雜合中性脂DGGGO-FAs，同時含有古菌醚鍵特征和細菌脂肪?；卣?。基于基因敲除、回補等方法，作者探究了DGGGO-FAs的生物合成機制，發(fā)現(xiàn)釀酒酵母中二酰甘油?；D(zhuǎn)移酶DGAT是關(guān)鍵合成酶，催化DGGGOH古菌醇和Acyl-CoA縮合產(chǎn)生DGGGO-FA。

令人興奮的是，作者在古菌蛋白數(shù)據(jù)庫中開展DGAT序列同源檢索，發(fā)現(xiàn)其同工酶序列在古菌域中廣泛分布。作者選取了來源于深古菌門 （Candidatus Bathyarchaeota） 、廣古菌門 （Euryarchaeota） 的DGAT序列，通過在酵母中異源表達，證明了古菌DGAT酶具有合成DGGGO-FA的能力，同時也可催化合成TAG分子。自然界中，聚羥基脂肪酸酯 （PHA） 、TAG及蠟酯 （Wax Ester） 等中性脂通常被用于能量貯存，其中真核及細菌主要利用PHA、Wax Ester和TAG、古菌主要利用PHA。本研究中，作者首次證明古菌中廣泛存在DGAT酶 （圖3） ，并通過生化實驗證明其合成DGGGO-FAs的能力，有望改寫科學界對古菌能量儲藏形式的認知。然而，尚不清楚自然環(huán)境中古菌能否合成DGGGO-FA類中性脂，因此本研究提出的假說仍有待于進一步驗證。

圖3：DGAT同工酶在細菌、真核及古菌域中廣泛分布

總之，真核生命起源依然有許多爭議和未解之謎，而合成生物學可以提供新思路和新方法。本研究的局限之一是酵母模型中古菌細胞膜極性脂的含量仍然較低，未能令人信服的回答雜合細胞膜能否在真核細胞中穩(wěn)定存在的問題。未來，作者計劃結(jié)合代謝工程等方法，提高古菌膜脂異源合成效率，研究膜脂手性對于真核細胞生理、脂類亞細胞定位等關(guān)鍵生命過程的影響，持續(xù)探究真核細胞膜脂起源和演化的謎題。

中國科學院深圳先進技術(shù)研究院張建志助理研究員為第一作者，司同研究員為通訊作者。

該研究得到了國家重點研發(fā)計劃（2021YFA0910800和2020YFA0908500）、國家自然科學基金（32101179, 32071428, 91851210）、海洋地球古菌組學深圳市重點實驗室（ZDSYS201802081843490）和南方海洋科學與工程廣東省實驗室(廣州)的資助，同時，也得到了深圳合成生物學創(chuàng)新研究院的支持。

PI與課題組簡介

司同 ，中科院深圳先進院合成生物學研究所研究員，博士生導師。國家重點研發(fā)計劃合成生物學項目首席科學家，國家高層次人才（青年），深圳合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施總工藝師。課題組方向為自動化合成生物技術(shù)，包括機器學習指導蛋白工程、高通量質(zhì)譜篩選等，用于開發(fā)微生物細胞工廠研究和生產(chǎn)燃料、化工品、藥物等重要分子，前期成果在 Nature Communications、JACS、Angew Chemie、Metabolic Engineering 等國際著名學術(shù)期刊發(fā)表論文50余篇，“谷歌學術(shù)”引用超過2400次。

課題組主要研究方向是自動化合成生物技術(shù)，依托深圳合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，采取數(shù)據(jù)驅(qū)動的設(shè)計-構(gòu)建-測試-學習閉環(huán)研究范式，開展蛋白質(zhì)工程、細胞工廠、天然產(chǎn)物等研究。長期招聘合成生物、儀器分析、微流控方向博士后、工程師、研究助理和訪問學生等，有意申請者請將個人簡歷以郵件方式發(fā)送至：tong.si@siat.ac.cn。

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