这是一个关于8亿年前谜题各部分如何嵌入到位的故事。这个谜题是一个离子泵，你可以在任何蘑菇、霉菌或酵母中找到它。我在这里复制了一张它的图片。真菌细胞，就像我们自己的细胞一样，内部有很多小囊泡，用于进行特殊的化学反应。为了使这些反应起作用，囊泡内必须有大量的带正电荷的质子。为了将这些质子引入囊泡，像这样的离子泵会将它们强行穿过膜。这个泵（其正式名称是囊泡ATP酶复合物）是一个极其复杂的蛋白质集合。它们优雅地组合在一起，并协同工作以完成这项至关重要的任务。这个泵一个特别酷的特点是它嵌入在囊泡膜中的环状结构，在那里它像轮子一样旋转。这个环由六个蛋白质组成——四种称为Vma3的蛋白质，以及两种称为Vma11和Vma16的蛋白质——它们相互锁定。如果一个蘑菇无法制造这三种蛋白质，它的泵就无法工作。没有了泵，它就是个死蘑菇。就这么简单。俄勒冈大学的生物学家Joe Thornton和他的同事们想知道这个泵是如何形成的。Loom的读者可能还记得我之前写过的几篇关于Thornton工作的文章。他通过复活数亿年前的蛋白质并进行实验来弄清楚它们如何工作，以此追溯生命分子的历史。本周在《自然》杂志上，Thornton和他的同事们描述了真菌离子泵的历史。这是他们首次以这种方式重建了一个分子“机器”的历史。它也是关于复杂事物如何进化的一个有用教训——尤其是那些看起来如此复杂以至于难以想象它们如何一步步从更简单的东西进化而来的事物。与真菌最接近的主要物种是动物。与真菌一样，我们的细胞中也有囊泡ATP酶复合物。但它们是不同的。在环状结构中，我们只有两种蛋白质——五种Vma3和一种Vma16，而不是三种。至少在离子泵方面，与蘑菇相比，我们相当原始。科学家们将这些环状蛋白质的基因与其他基因进行比较，以重建它们的进化历史。他们发现，Vma11（真菌特有的环状蛋白质）和Vma3密切相关。在真菌的祖先从动物的祖先分叉之后，某个时候，一个祖先环状蛋白质发生了复制，在真菌中形成了Vma3和Vma11蛋白质。两种蛋白质在复制后都发生了很大的变化。Thornton估计，祖先蛋白质与真菌中的Vma3之间改变了25个氨基酸，而Vma11则改变了31个。通过比较酵母中的Vma3和Vma11，Thornton和他的同事们能够推断出它们祖先蛋白质的结构。然后，他们创造了那个早已消失的蛋白质（他们称之为Anc.3-11），并进行实验来了解它在8亿年前是如何工作的。为了进行实验，科学家们首先关闭了酵母细胞中的Vma3和Vma11基因。正常情况下，这会阻止酵母生长。然后，他们将Anc.3-11基因插入酵母中。酵母构建了一个两蛋白环，而不是其正常的三个蛋白质环，并且运行良好。然后，Thornton和他的同事们创建了只有Vma3被关闭的酵母菌株。酵母可以将Vma11和Vma16与Anc.3-11结合形成一个工作的环。当他们只关闭Vma11时，也取得了同样的成功。
基于这些实验，Thornton提出了一个假说来解释该环状结构是如何进化的。这张图说明了这些步骤。动物和真菌共同祖先的祖先环状结构显示在右侧。它只有两种蛋白质。绿色是Vma3和11的祖先形式，红色是Vma16的祖先形式。黑色方块、圆圈和三角形代表蛋白质中只能与某些蛋白质的部分锁定在一起的部分（由匹配的凹槽表示）。正如你所看到的，绿色蛋白质（Vma3和Vma11的祖先）非常通用，能够与几种不同的蛋白质锁定在一起。动物也有相同的基本环。然而，在真菌中，发生了一些重要的变化。首先，Anc.3-11复制了。（Vma11显示为黄色。）然后蛋白质之间的连接发生了变化。然而，没有一种蛋白质获得了新的功能。相反，简单的突变导致它们失去了一个接口。蓝色和黄色真菌蛋白质上的红点显示了这些接口消失的地方。这些突变剥夺了蛋白质原有的通用性。结果，只有当所有三种蛋白质以特定的排列方式存在时，环状结构才能契合。你可能会认为生命在进化出新功能时变得越来越复杂。例如，我们的眼睛可以形成清晰的图像，但为了做到这一点，它首先必须进化出一个腔体、一个针孔和一个透镜。然而，在这个环状结构的情况下，Thornton发现恰恰相反。它更简单的祖先是由更通用的蛋白质组成的。随着蛋白质的复制和退化，它们的排列变得更加复杂。目前还没有人能说这种进化发生了多少次。我们必须等待更多的分子时间旅行才能得到答案。
