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在5亿年前，植物开始登陆，在登陆之前，它们需要做一些改变，因为这些古老的祖先并不擅长生活于干旱且曝晒的环境中，于是它们进化出一些酶，以合成能帮助它们抵御外界威胁（如紫外线）的化合物。这些化合物在现代植物中发挥着非常重要且“完美”的作用，它使植物能遍布世界各地，同时它对人类也非常有用，它可以制成药物、营养物质、香精、染料及杀虫剂等。这些酶类都是从蛋白质进化而来。来自萨克生物研究学院的Joseph P. Noel及同伴将注意力集中在寻找一种新陈代谢酶类的进化过程上，这种酶的前身仅是一类无任何活性的蛋白质。这种酶被称为查尔酮异构酶（chalcone isomerase，CHI），它对一类特定的新陈代谢产物——类黄酮（flavonoids）的产生起关键作用。类黄酮有上千种形态，它为植物提供吸引传粉者的色彩、驱散食草动物的恶臭、抵御真菌入侵的味道以及反抗阳光漂白作用的保护剂。在生物学家眼中，CHI算得上是一类非常完美的酶类，它特殊的原子结构使其能达到活性的最大值。Noel解释说，一旦化学物质进入细胞质，就能立即被它转化为类黄酮，从进化学角度讲，CHI已经达到它的顶峰了。
2000年，Noel和他的团队首次利用X射线扫描解开了CHI的原子结构，Noel说，从结构及生化角度分析，它已达到进化极限，然而从生物学角度讲，任何新事物与祖先都会有所不同。当时，Noel并没有找到存在于阿拉伯芥（Arabidopsis thaliana）中CHI的任何初期形式，而且CHI也仅存在于植物界中。在那之后，随着分子及基因技术不断进步，Noel和同伴最近在细菌及酵母中发现了CHI古老形式的基因片段，这表明CHI在植物登陆前就拥有深远的进化渊源。
之后，研究者在阿拉伯芥的基因组中寻找与CHI相似的序列，他们发现一类名为FAPs的蛋白质族中的3个成员与CHI拥有相似的基因序列与分子骨架结构，Noel说，它们应该与CHI同源。研究者提取出FAP基因并插入大肠杆菌（E. coli）中以期望获得蛋白质产物，然而令人惊讶的是，FAP基因与大肠杆菌中的一种脂肪酸紧密结合，以至根本无法进行观察。在利用X射线对FAP进行观测时也遇到了相同的情况，而CHI则能捕获查耳酮（chalcone）并将其转化为类黄酮。
研究者追溯这3类FAPs在叶绿体中的作用，由于脂肪酸对于在种子和胚胎中储存能量极为关键，因此FAPs也被认为是常规新陈代谢的主要成员，而类同酮合成则是一种特殊的新陈代谢过程，它对植物在野外生存起到了宏观维持的作用。虽然两者之间作用不同，但它们的基因及结构相似性仍显示它们拥有共同的进化关系。它们究竟哪种更原始些呢？Noel更倾向于认为FAPs更古老些。因为FAPs在藻类内部也是新陈代谢的主要成员，而CHI所控制的类黄酮代谢则是在5亿年前出现的。Noel及其同伴还将继续探寻它们更为深远的起源。（化石网/歆塬编译）
大约5亿年前，植物开始从水生栖息地过渡到陆地，它们需要改变自身。这些现代植物的原始祖先最初并不具备在干旱的、阳光摧残的世界上生存的能力。然而渐渐地它们进化出了一些酶，使得它们能够合成新型的化合物保护它们免于新世界的威胁，例如太阳的有害紫外线。
大约5亿年前，植物开始从水生栖息地过渡到陆地，它们需要改变自身。这些现代植物的原始祖先最初并不具备在干旱的、阳光摧残的世界上生存的能力。然而渐渐地它们进化出了一些酶，使得它们能够合成新型的化合物保护它们免于新世界的威胁，例如太阳的有害紫外线。
来自美国萨克生物研究学院的研究员Joseph P. Noel和他的同事们在一项新研究中将研究焦点放在了其中的一个代谢酶上，直到今天这种酶仍能有效地发挥功能被生物化学家们视为是催化上“完美无缺”的。在发布于5月13日《自然》（Nature）杂志上的论文中，研究人员揭示了该酶是如何从非催化性的祖先蛋白进化而来的。
Noel的研究兴趣在于了解如今的植物获得制造出不同化学武器能力的机制——成千上万的特化分子使得植物能够在世界各地各种各样的，有时甚至是有害的环境中旺盛生长。这些化合物中有许多同样对人体有益——可作为药物、疾病预防的营养物、香料、染料和农药。现代植物利用的酶工具一定是从远古植物为了在极其不同的世界中生存所利用的蛋白质分子进化而来。
在当前的研究中，Noel和他在萨克生物研究学院的同事与爱荷华州立大学的研究人员合作侧重研究了苯基丙乙烯酮异构酶(CHI)，CHI对于生成特定代谢产物黄酮类化合物（flavonoids）起关键性作用。黄酮类化合物以数千种形式发挥作用，为植物提供颜色吸引传粉昆虫，用有毒气味击退草食动物，用奇怪的味道来阻止真菌繁殖，用保护剂对抗太阳紫外线的漂白效应。
生物学家们长期将CHI描述为一种“完美”的酶，因为它的原子结构可通过微调来催化极速反应。Noel 说：“化合物尽可能快速地在溶液中或植物细胞质中撞上它，然后CHI制造出黄酮类化合物产物。在进化意义上说，它达到了极限。它正接近它能达到的极速。”
2000年，Noel的研究小组首次解析了CHI的原子结构，通过X射线晶体学技术揭示了使CHI成为植物酶中的“法拉利”（ Ferrari）的精确三维原子排列。事实上，它们的结构和生物化学分析表明该酶似乎已经达到了它的“进化极限”。然而在生物学中，一切来源于古老事物的东西都有可能是不同的。
CHI这一高速催化物是在在植物进化的过程中的何处出现的？回顾2000年时，Noel并没有能够在拟南芥中找到显而易见的前体。尽管CHI自身对于大多数新近进化的绿色植物的黄酮类化合物生成起至关重要的作用，然而它似乎不存在于植物王国之外。
从Noel研究小组揭示CHI结构至今多年来，现代植物科学获得了大量的新分子和遗传学技术。这些技术进步使得Noel和他的同事们能够在更简单（更古老）的生物体基因组序列中搜索CHI相关的蛋白质标记。他们在细菌和酵母中发现了与该酶相关的部分序列，向Noel提示CHI在深远的过去，在绿色植物走向陆地之前，就具有一个分子祖先。
来自美国萨克生物研究学院的研究员Joseph P. Noel和他的同事们在一项新研究中将研究焦点放在了其中的一个代谢酶上，直到今天这种酶仍能有效地发挥功能被生物化学家们视为是催化上“完美无缺”的。在发布于5月13日《自然》（Nature）杂志上的论文中，研究人员揭示了该酶是如何从非催化性的祖先蛋白进化而来的。
科学家们接下来在拟南芥基因组中进一步搜索了与CHI相似的序列，从而使得他们转向了一个称为FAPs的蛋白家族的三个成员。FAPs在基因序列和分子骨架结构上非常相似表明它们与CHO具有共同的根源 为了了解更多信息，研究人员生成了来自FAP基因的蛋白。Noel 回忆说：“在这一过程中，我们获得了来自植物的每个FAP基因，将它插入到大肠杆菌中，让细菌将其转变为我们能够处理的蛋白质。然而出人意料的是，这三个古老蛋白抓住了来自大肠杆菌宿主的一个脂肪酸分子，FAP蛋白紧紧地抓着它以致于我们能够看到这一额外的分子。”
实际上，当他们利用X射线晶体学检测FAP蛋白质的分子结构时，他们发现FAP形成了口袋紧钩到一个脂肪酸上。与之相对比，CHI包含了一个特异形状的口袋抓住了查尔酮（chalcone）将其转变为植物黄酮类化合物。
Noel研究小组追踪三种FAPs至植物叶绿体。叶绿体是指出光合作用发生的位点，也是脂肪酸从头开始合成的位点。叶绿体中生成的脂肪酸之后被利用在种子和胚中累积能量储存。由于对生存至关重要，FAPs被视为是植物主要代谢组分中重要的部分。相比之下，黄酮类化合物的合成被认为是一种特异的代谢：黄酮类化合物促成了植物能够在野生特定情况下长期传递基因的能力，但当植物被放置在精确调控的实验室环境中时却并非即刻对生存起至关重要作用。
Noel说尽管FAPs和CHI在现代植物中发挥着非常不同的作用，它们的遗传和结构相似性表明存在一个明确的进化关系。那么哪一个是另一个的祖先？Noel认为FAPs更年长。
由于FAPs甚至在藻类（早期植物祖先的现代范例）中促成了初级代谢，因此相比CHI它们更有可能通过自然选择保存了超过5亿年。这一快速移动的驱动黄酮类化合物生成的酶有可能是在更“近”的过去形成，仅仅5亿年前左右，随着植物开始向干涸的、紫外线明亮的陆地迁移。
Noel说发现植物生物合成中两个独立的参与者之间的联系将对农业、生物燃料和营养学产生重大的影响。这些不同的生物化学近亲的进化重聚让他感到非常兴奋。这也是给十年研究工作打上的一个极好的惊叹号，Noel的研究小组一直在锲而不舍地追寻这一在黄酮类化合物信号通路中的关键酶的起源。“这真是很酷，它是最好的一个例子，一个不是酶的蛋白进化成了极其有效的酶。我们可以从中得知不是我们，而是自然一直在完成一个时间为5亿年的实验！”
（生物通：何嫱）