新技术解决了四膜虫的呼吸之谜

四膜虫是一种微小的单细胞生物，结果证明它隐藏着一个令人惊讶的秘密：它进行呼吸——利用氧气产生细胞能量——与植物、动物或酵母等其他生物不同。这一发现于 3 月 31 日发表在《科学》杂志上，强调了结构生物学中新技术的力量，并揭示了我们对生命之树一个主要分支的认识存在差距。

加州大学戴维斯分校分子与细胞生物学系博士后研究员玛丽亚马尔多纳多说：“我们认为我们通过研究其他生物体了解呼吸，但这向我们展示了我们仍然不知道多少。” -论文的第一作者。

四膜虫是一种自由生活的单细胞生物，通常通过敲打它们的细毛或纤毛，在池塘周围安静地游泳。像我们一样，它们是真核生物，其遗传物质位于细胞核中。它们属于一个庞大而多样的生物群，称为 SAR 超群。除了少数例外，例如疟原虫疟原虫，SAR 超群鲜有研究。

“这是生物圈的很大一部分，但我们并没有考虑太多，”马尔多纳多说。

加州大学戴维斯分校生物科学学院分子和细胞生物学助理教授詹姆斯莱茨说，与所有其他真核生物和一些细菌一样，四膜虫通过呼吸消耗氧气来产生能量。

氧气在与呼吸有关的一系列化学反应结束时进入。电子通过位于线粒体内膜中称为嵴的结构中的蛋白质链。这驱动氧和氢原子形成水，将质子泵过膜，进而驱动 ATP 的形成，ATP 是细胞的化学能储存器。这种电子传递链是人类和其他真核生物氧呼吸的基础。

结构生物学的新方法

Letts说，有迹象表明四膜虫的电子传输链有些不同。在 1970 年代和 80 年代，科学家们发现其携带电子的蛋白质——细胞色素 c——和链末端的耗氧酶——末端氧化酶——的功能与植物和动物中的不同。直到现在，当这些酶在其他研究的真核生物中被保存时，尚不清楚这些酶在四膜虫中是如何或为什么不同的。

Maldonado、Letts 和共同第一作者 Long Zhou 使用结构生物学的新方法来揭示四膜虫电子传递链。其中包括冷冻电子显微镜结构蛋白质组学方法——同时研究混合样品中大量蛋白质的结构。

冷冻电子显微镜将样品冷冻到极低的温度，以几乎原子分辨率创建图像。该团队没有对单一的纯化蛋白质进行成像，而是使用从线粒体膜中分离出来的混合样本，然后教授一种算法来识别相关结构。

通过这种方式，他们能够扫描数十万张蛋白质图像，并识别出三个大型组件中 277 种蛋白质的结构，它们代表了接近原子分辨率的四膜虫电子传递链。其中一些蛋白质在已知的四膜虫基因组数据库中没有匹配的基因——这表明在可用的参考基因组中肯定存在缺口。

Letts 说，通过揭示我们对一种相当常见的生物体的知识差距，这项工作显示了我们在生物多样性方面的盲点。他说，它还显示了这些新方法在结构生物学中作为发现工具的潜力。

部分工作是在加州大学戴维斯分校生物科学学院的 BioEM 核心设施中使用低温电子显微镜进行的。该论文的其他作者是加州大学戴维斯分校的 Abhilash Padavannil 和 Fei Guo。周现就读于中国杭州的浙江大学医学院。