世界上最大的蛋白质，这些大分子将细菌变成掠食者

　　已知最大蛋白质的候选物可能有助于杀死水生细菌吞噬其他微生物，但研究这种庞然大物并不容易，甚至证明它们是真实存在的。

　　

加州大学伯克利分校(UC)的计算生物学家Jacob West-Roberts在搜寻微生物DNA序列以寻找巨型基因时，发现了一个他认为是巨大的基因:一个编码由1800个氨基酸组成的蛋白质的基因。一般的蛋白质有几百个。

“等着看吧，”他的博士导师、加州大学伯克利分校环境微生物学家Jillian Banfield说。“从测序数据中已经知道，蛋白质的长度超过3万个氨基酸。”

他们的团队现在已经发现了几十种更大的蛋白质，包括可能是有史以来最长的蛋白质:一个由85000个氨基酸组成的庞然大物。研究人员提出，这种大分子可以帮助一群神秘的环境微生物以其他微生物细胞为食。他们在上个月发表在bioRxiv1上的一篇预印本中描述了他们的发现。

“这是一个很好的研究，”拉斯维加斯内华达大学的微生物学家Brian Hedlund说。“他们基本上将已知最大的预测蛋白质的大小从40,000个增加到85,000个氨基酸，这太疯狂了。”

在肌肉中发现的一种名为Titin的蛋白质，大约有3.5万个氨基酸，几十年来一直是世界上最大的蛋白质。但《吉尼斯世界纪录》可能还不需要更新。West-Roberts和他的同事们从基因序列中推断出这些巨型蛋白质的存在，并利用人工智能工具AlphaFold预测了部分分子的形状。有可能的是，在被细胞制造出来之后，这些巨大的蛋白质被切割成具有不同功能的小块。“在这一点上，你只是不知道，”Hedlund说。

隐藏的巨人

2008年发表了对巨型蛋白质的最新全面调查。为了获得最新的图像，West-Roberts在公共数据库和来自环境资源的新基因组数据中寻找编码巨型蛋白质的基因，包括北加州班菲尔德家附近的一个季节性池塘和科罗拉多州的沼泽。

巨型蛋白质在Omnitrophota中尤其常见，Omnitrophota是一种细菌门，于20世纪90年代在美国北部的黄石国家公园首次发现，现在在环境样本中普遍存在。总的来说，研究人员发现了46个Omnitrophota基因，编码的蛋白质长度超过30,000个氨基酸，其中包括在废水中发现的85,804个氨基酸巨像。“他们简直无处不在，”West-Roberts说。

尽管这种微生物无处不在，但除了可以从序列中收集到的信息外，研究人员对Omnitrophota知之甚少。在很大程度上，这是因为科学家们在实验室里培育样本的运气很差。但去年，德国不来梅马克斯·普朗克海洋微生物研究所的微生物学家Jens Harder领导的一个研究小组报告了一项突破。在20世纪90年代以来一直在实验室中缓慢培养的废水样本中，他们发现了含有Omnitrophota遗传物质的细胞——即使按照微生物的标准也很小。该团队开发了用这些细胞丰富样本的方法，然后对它们进行分析。

基因组测序确定了一个基因，该基因预计编码近4万个氨基酸长的蛋白质，并在生化分析中发现了匹配的蛋白质片段。哈德的研究小组甚至可能在Omnitrophota细胞的电子显微照片上瞥见了这个巨大的细胞，这些细胞似乎显示出它们攻击并吞噬了其他被称为古细菌的细菌和微生物。

蛋白质的捕食者

为了确定West-Roberts发现的巨型蛋白质是否参与了类似的捕食，他和他的团队试图用计算方法来研究这些序列，这些计算方法是用来确定小得多的蛋白质的作用的。“这些工具不是为巨大的蛋白质而制造的。他们只是不知道该拿这些钱怎么办，”他说。

尽管面临这些挑战，摄制组还是成功地了解了一些泰坦的情况。许多蛋白质似乎蜿蜒穿过细胞膜十几次或更多次。许多巨型蛋白质的序列类似于附着并分解细胞壁上的糖和其他生物分子的酶的序列。研究人员认为，这些细胞可以用来结合和消化猎物的细胞壁。

为了找出一些巨型蛋白质的样子，West-Roberts和他的同事们将他们的部分序列插入谷歌DeepMind革命性的蛋白质结构预测工具AlphaFold。但是这个网络不能容纳超过几千个氨基酸的蛋白质，所以研究人员把他们的巨型蛋白质分成重叠的1000个氨基酸的延伸。West-Roberts说:“如果你把它弄得太长，AlphaFold就会在某个时候放弃，给你一个意大利面球。”

人工智能对蛋白质结构的预测揭示了更多的细胞壁结合区域，但也有一个很大的惊喜:一个非常长的管状装置，不同于研究人员所见过的任何东西。这种结构可能参与将分子传递给猎物，或者在宿主微生物吞噬它们之前附着在其他细胞上。

首尔国立大学(Seoul National University)的计算生物学家Martin Steinegger对研究人员使用AlphaFold和其他尖端工具分析大分子的方式印象深刻。他说:“能够超越传统方法的能力对如此巨大的分子机器进行注释，标志着一个实质性的飞跃。”

南非比勒陀利亚大学(University of Pretoria)的生物信息学家Oleg Reva说，巨型蛋白质在Omnitrophota中如此普遍，这一事实尤其令人惊讶，因为这种微生物的物理尺寸很小。他补充说，这项研究表明，巨型蛋白质是“小型微生物猎人在追捕细菌和古细菌猎物时使用的复杂武器”。

真实的存在

研究人员说，发现编码蛋白质的基因长度超过85,000个氨基酸，并不意味着这些分子在细胞中以这种状态存在。一种可能性是，蛋白质在合成后被切成更小的片段，这些片段在细胞中起着一系列的作用。这可以解释为什么哈德的团队只能找到它巨大蛋白质的片段。哈德说:“目前我还没有看到这些大蛋白质存在的实验证据。”

许多巨型蛋白质含有一种叫做肽酶的蛋白质分解酶，这种酶可以把歌利亚人切成大卫人。确定的答案可能需要研究人员培养Omnitrophota细胞，目前只有Harder的团队成功做到了这一点。Harder说:“其他的都是想象出来的。有很多谜团需要解开。”