古細菌(古菌)是和細菌、真核生物並列的三大生命類群之一。日本京都大學和筑波大學等單位的研究團隊,最近發現了一種基因體小得驚人的古細菌:整個基因體只有約 23.8 萬個鹼基對,不到過去已知最小古細菌基因體的一半,能製造蛋白質的基因只有 189 個,而人類大約有 2 萬個。研究已於 10 月 9 日發表在國際期刊《當代生物學》(Current Biology)。

圖片來源:京都大學(圖中文字由本站譯為中文)
在海洋浮游生物身上意外找到
據京都大學 10 月 13 日發布的新聞稿,研究團隊原本是在分析一種海洋渦鞭毛藻(一種單細胞浮游生物)的單一細胞基因體,結果在資料裡發現了這個來歷不明的環狀基因體。團隊以日本神話中身材極小的神「少名毘古那」(スクナビコナ)為名,把它取名為「Candidatus Sukunaarchaeum mirabile」,日文暱稱「スクナ古細菌」,意思是「令人驚奇的小古細菌」。
參與研究的包括筑波大學計算科學研究中心助理教授中山卓郎、京都大學農學研究科特定研究員原田亮,以及東京大學、山形大學和海洋研究開發機構(JAMSTEC)的研究人員。所謂「單細胞基因體分析」,是從環境中取出一個細胞,把裡面微量的 DNA 放大後解讀,連很難培養的微生物也能研究。團隊分析一個渦鞭毛藻細胞時,順便得到了附著在一起的其他微生物基因體,其中一個小小的環狀 DNA 和任何已知生物都對不上。研究人員發現,這種古細菌幾乎沒有自己取得養分、製造能量的基因,生存需要的物質推測完全仰賴其他生物;但它保留了複製 DNA、把基因「抄寫」成 RNA,再把 RNA「翻譯」成蛋白質的主要機制。這套「遺傳資訊的流程」在生物學上叫「中心法則」,是所有細胞生物共通的基本功能。也就是說,它幾乎只剩下「複製自己」的能力。
為什麼這很特別?其實我們細胞裡的粒線體、植物的葉綠體,原本都是細菌,後來基因越丟越多,連複製自己的能力都交給宿主細胞,已經不算獨立的生物。住在昆蟲細胞裡的共生細菌,也有基因體和這種古細菌一樣小、甚至更小的,但它們保留的是幫宿主製造養分的基因,反而把中心法則的部分基因丟了,靠宿主幫忙。這種古細菌剛好相反,研究團隊認為,它可能接近「保住獨立生命最低限度、其他全部削掉」的狀態。
四分之一的基因體,是一個謎樣的巨大基因
更奇妙的是,這個小小的基因體裡,大約四分之一被一個巨大的膜蛋白基因佔據,目前還不知道它的功能。研究團隊推測,這種古細菌可能是寄生在其他生物身上,靠宿主提供養分和能量才能生存,所以才能把自己的基因精簡到這種程度。
這項發現也讓科學家重新思考「一個生命最少需要多少基因」這個問題。系統分析顯示,它和所有已知古細菌在遺傳上差異很大,可能不屬於目前提出的任何一個「門」(生物分類中很大的一個層級,例如人類屬於脊索動物門)。團隊也在海洋環境的基因資料中找到許多和它相近的序列,代表海洋裡還有一整群過去被忽略的古細菌。不過要注意的是,目前研究人員只取得了它的基因體資料,還沒有在顯微鏡下看到這種古細菌本身,也還不清楚它真正的宿主是誰。團隊表示,接下來希望找出它的生活方式,以及那個巨大基因的作用,說不定能揭開生命演化的新祕密。
