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合成生物學(xué)的魅力

如同樂高玩具一樣建造的細(xì)菌顯示出合成生物學(xué)向基因模塊的設(shè)計(jì)和建造發(fā)展的潛力，這種基因模塊可以向已有生物系統(tǒng)中導(dǎo)入新功能，甚至可以建造出新的生物系統(tǒng)。這一新興領(lǐng)域匯集了那些力求理解生命并制造新生物功能的生物學(xué)家、物理學(xué)家、化學(xué)家和工程師。本期雜志特刊關(guān)注合成生物學(xué)領(lǐng)域研究成果如何幫助我們理解生物學(xué)并造福人類的。

走出青藏高原：上新世披毛犀證明冰河期巨型動(dòng)物的高原起源

嚴(yán)寒霜凍的西藏高原可能是在最后的冰期中在北美和歐亞大陸活動(dòng)的披毛犀牛和其它長著粗毛的耐寒動(dòng)物的進(jìn)化搖籃。人們一般認(rèn)為，更新世的“大型食草動(dòng)物”是從其在北美和歐亞的較不耐寒的先祖進(jìn)化而來的，它們隨著氣候的冷卻而適應(yīng)了那里寒冷的環(huán)境。2007年，中科院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所的考察隊(duì)，在喜馬拉雅山西部海拔4200多米的扎達(dá)盆地中發(fā)現(xiàn)的一具完整的上新世披毛犀的頭骨和下頜骨，被命名為西藏披毛犀（Coelodontathibetana）。披毛犀是已絕滅的最著名的冰期動(dòng)物之一，是犀牛的一種。披毛犀具有非常粗壯的骨架、厚重的皮毛和巨大的鼻角。中科院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所王曉鳴研究員領(lǐng)導(dǎo)科研團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，披毛犀顯示出了對(duì)寒冷多雪氣候的適應(yīng)。通過分析該化石的年代及其形體特征得出結(jié)論：與其在更新世所對(duì)應(yīng)的犀牛相比，這一犀牛（西藏腔齒犀）在披毛犀系譜中屬于一種相對(duì)原始的先祖動(dòng)物。這一發(fā)現(xiàn)提示，這些犀牛首先在其它地區(qū)發(fā)生氣候變化之前很久就適應(yīng)了寒冷的西藏高原的氣候，而西藏腔齒犀在氣候變冷的時(shí)候已經(jīng)做好了向亞洲其它地區(qū)擴(kuò)散的準(zhǔn)備。西藏披毛犀的更原始形態(tài)和更久遠(yuǎn)的時(shí)間，表明它不僅不是北極圈中發(fā)現(xiàn)的冰期動(dòng)物的“后裔”，相反是它們的“祖先”。來自札達(dá)盆地的其它幾種大型動(dòng)物的化石（包括雪豹、巖羊及西藏羚羊）也發(fā)生了類似的對(duì)寒冷的適應(yīng)。這一地區(qū)因此可能是在冰川期擴(kuò)大活動(dòng)范圍的多種耐寒物種的起始點(diǎn)。

上：披毛犀

下：披毛犀頭骨

南方古猿源泉種MH1的顱內(nèi)模

南非的南方古猿新種——源泉種，2008年發(fā)現(xiàn)于南非馬拉帕洞穴遺址（Malapasite），個(gè)體頭骨及頭后骨骼共計(jì)81件，涉及MH1和MH2兩個(gè)個(gè)體。其生存年代距今約195-178萬年，很有可能是由南方古猿非洲種進(jìn)化而來，與其他南方古猿相比這一物種具有更多的早期人類特征。研究人員通過高質(zhì)量的同步掃描得到了MH1的虛擬顱內(nèi)模，發(fā)現(xiàn)其額葉總的來說表現(xiàn)出南方古猿的特征，但也有些人類額葉特征的雛形，如嗅球后移。南方古猿源泉種的前額主要結(jié)構(gòu)分析表明MH1前額形狀和組織結(jié)構(gòu)均接近于人類。這些研究結(jié)果與從古猿到智人過渡的前額區(qū)域的神經(jīng)逐步重組相一致，但是鑒于MH1顱內(nèi)體積小，他們不符合過渡前腦逐步擴(kuò)大的理論。

結(jié)構(gòu)與深度序列分析揭示HIV-1抗體的演化

去年，國家過敏和傳染病研究所（NIAID）疫苗研究中心（VRC）的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)3種HIV抗體，其中2種在能保護(hù)人體細(xì)胞免受90%以上的HIV病毒的攻擊。這3種抗體是從北美HIV患者的血液中發(fā)現(xiàn)的，分別稱為VRC01、VRC02和 VRC03。最近，科學(xué)家報(bào)道了2位非洲HIV患者血液中的抗體類似于VRC01。研究發(fā)現(xiàn)VRC01樣抗體都能以相同方式結(jié)合在HIV病毒同一位點(diǎn)上，這表明HIV抗原應(yīng)該具有類似HIV保守位點(diǎn)的蛋白質(zhì)副本（稱為CD4結(jié)合位點(diǎn)）才能誘導(dǎo)出像VRC01一樣功能強(qiáng)大的抗體。先發(fā)現(xiàn)，VRC01樣抗體的基因經(jīng)歷高達(dá)70-90次突變才能轉(zhuǎn)變成編碼HIV抗體的有效基因。為了合成能誘導(dǎo)VRC01樣抗體的抗原，要指導(dǎo)B細(xì)胞中基因突變成殺傷HIV病毒的抗體基因。為了規(guī)劃B細(xì)胞的演化途徑，科學(xué)家測序B細(xì)胞中所用抗體的基因，從基因水平上追蹤抗體應(yīng)對(duì)HIV病毒的演化。然后，設(shè)計(jì)出復(fù)雜的生物信息學(xué)技術(shù)用于破譯文庫中大量遺傳數(shù)據(jù)。目前，已發(fā)現(xiàn)一種可以讀懂文庫中有關(guān)VRC01樣抗體的基因信息的方法。

吡嗪酰胺抗結(jié)核病的機(jī)制：抑制致病菌結(jié)核分支桿菌的反式翻譯

吡嗪酰胺是抗擊肺結(jié)核的首選藥物，可以顯著縮短結(jié)核病的治療周期。復(fù)旦大學(xué)張穎教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)找到了吡嗪酰胺在結(jié)核分枝桿菌上的標(biāo)靶，并提出了該藥究竟是如何消滅這些細(xì)菌。吡嗪酰胺進(jìn)入患者體內(nèi)后，通常會(huì)轉(zhuǎn)化為具有活性的吡嗪酸。當(dāng)吡嗪酰胺水解成為吡嗪酸后，它會(huì)將核糖體蛋白R(shí)psA作為其標(biāo)靶，而RpsA參與蛋白質(zhì)的翻譯過程。這種反式翻譯過程對(duì)細(xì)菌在應(yīng)激情況下（如饑餓、酸性pH值和缺氧等情況下）處理受損mRNA上的停止運(yùn)作的核糖體是至關(guān)重要的。研究人員認(rèn)為，吡嗪酰胺能夠抑制這一過程可能是其成功治療結(jié)核病的秘密。這種特別的抗結(jié)核藥物是結(jié)核病療法中唯一無法替換的藥物，因?yàn)樗軞缒切┢渌幬餆o法消滅的持久性的細(xì)菌。因此，目前抗結(jié)核病的所有候選藥物都與吡嗪酰胺合并使用才能取得最佳的療效。不過通過逐漸深入的研究，也許未來能發(fā)現(xiàn)更加有效的藥物。這項(xiàng)研究解釋了吡嗪酰胺的工作機(jī)制，有助于開發(fā)出更快治療結(jié)核病的方法。

沿緯度和海拔梯度β-多樣性的驅(qū)動(dòng)力

理解生物多樣性沿環(huán)境梯度的空間變化是生態(tài)學(xué)的核心議題。沿梯度出現(xiàn)的不同地點(diǎn)物種組成性周轉(zhuǎn)的差異（β-多樣性）常用于推斷構(gòu)成群落過程中的變化。我們展示了采樣獨(dú)立預(yù)測物種庫大小變化引起的β-多樣性的差異。例如，沿緯度和海拔梯度的森林資源清查采樣清楚地顯示熱帶地區(qū)和低緯度地區(qū)的β-多樣性較高。然而，當(dāng)校正了物種庫中物種豐度的變化，β-多樣性的變化消失。因此，沒有必要引用溫帶與熱帶生態(tài)系統(tǒng)的群落組成不同來解釋全球β-多樣性模式。

“信使號(hào)”探測器傳回的水星表面的主要元素組成

圍繞水星運(yùn)行的“信使號(hào)”探測器傳回的X射線熒光光譜表明水星表面組成與其它類地行星不同。相對(duì)較高的Mg/Si和較低的Al/Si、Ca/Si比例排除了富含長石礦物地殼的可能性。硫豐度至少比地球或月球的硅酸鹽豐度高十倍。這些觀測結(jié)果與地表低鐵豐度一起支持了水星由高還原性前體材料形成，可能是類似于頑火輝石球粒隕石的隕石，或者是無水的彗星塵埃粒子。低鐵和鈦豐度不支持這些元素不透明氧化物是造成水星低而變化的表面反射的原因的假設(shè)。