近日，南方科技大学海洋科学与工程系副教授曾芝瑞团队在古菌膜脂研究中取得重要进展，首次揭示了古菌膜脂生物合成途径的关键基因。研究成果以“Identification of a protein responsible for the synthesis of archaeal membrane-spanning GDGT lipids”为题发表在国际学术期刊《自然-通讯》（Nature Communications）。

古菌与细菌、真核生物并列自然界三大生命域。古菌不仅广泛分布在海洋、土壤和动物肠道中，也生存在陆地热泉、深海热液口等极端环境中。这些极端环境的物理化学条件仍然与38亿年前生命起源的环境类似，古菌也很可能保留了早期生命的特征，为研究生命起源和生命适应极端环境机制提供了重要线索。甘油二烷基甘油四醚（Glycerol dialkyl glycerol tetraethers，GDGT）是古菌主要的细胞膜脂成分，属于跨膜分子。GDGT形成的稳定性极强的单分子层细胞膜骨架（而细菌与真核生物合成磷脂双分子层细胞膜骨架），是保护古菌细胞抵抗高温、强酸等极端条件的重要手段之一。GDGT还是重要的分子化石，通过数十亿年的地层沉积，记录了从古至今的海洋表面温度变化，被广泛用于古海洋古气候变化的研究。尽管古菌膜脂GDGT分子具有重要的生物学和地球科学研究意义，但它的生物合成途径中关键的四醚合成基因，四十多年来一直未被发现。

本研究通过多种鉴定方法试验，最终利用产甲烷古菌异源表达方法，首次鉴定出参与GDGT生物合成的关键基因，并将其命名为四醚合成酶（Tetraether synthase, Tes）。Tes属于自由基-S-腺苷基甲硫氨酸蛋白家族（radical SAM），利用自由基催化新的碳-碳键的生成。这一发现证实了GDGT合成是通过催化两个二醚分子（古菌醇）头对头缩合形成的。此外，Tes蛋白还合成了中间产物GTGT和副产物macrocyclic archaeol （图1）。这些发现阐明了古菌合成GDGT膜脂的生物途径，解决了困扰已久的学术争论。

图1.四醚合成酶Tes催化合成古菌膜脂GDGT示意图。

Tes蛋白的发现，还为全面认识那些生物类群具有合成GDGT的能力提供了必要的基础。通过比对蛋白序列（BLASTP），研究人员发现Tes不仅广泛分布在古菌中，甚至还出现在许多细菌类群的基因组中。虽然未曾发现细菌可以合成GDGT，但是某些细菌被认为合成了结构类似于古菌GDGT的单层膜脂分子——brGDGTs（一种指示陆地古环境变化的分子化石），因此有理由推测Tes同源蛋白可能与细菌brGDGTs合成有关。这些发现为下一步研究细菌brGDGTs神秘的生物来源及其合成机制提供了重要线索。

曾芝瑞为该论文第一作者，曾芝瑞与斯坦福大学教授Paula Welander为共同通讯作者，南科大是论文第一单位。南科大海洋科学与工程系博士生陈华慧、冯希，博士后陈雨霏、杨威以及中国地质大学（武汉）副教授杨欢、裴宏业为本研究作出了重要贡献。以上研究得到了南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）和国家自然科学基金的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29264-x 

供稿：海洋科学与工程系

通讯员：颜莎

主图：丘妍

编辑：朱增光