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神异的驱动蛋白

‘生物机器人’让人难以置信

作者:
译者: 陈至愚(Zhiyu Chen)

驱动蛋白分子是活体内的发现的“马达蛋白”。被称为“细胞的劳动力”,它们沿着被叫做微管的细胞内通路拖拉重要的物品。斯坦福大学应用物理学和生物科学教授史蒂芬 ∙ 鲍科(Steven Block)曾这样形容它:“驱动蛋白的功能像一个火车头在细胞内来回运送货物。”1

插图由迦勒.索尔兹伯里(Caleb Salisbury)提供8659-kinesin-3

一个典型的驱动蛋白分子仅700亿分之一米长(三百万分之一英寸),其形状与人惊人地相似!它的一端有两只“手”拿住货物,而另一端有两条“腿”沿着微管行走,把货物拉到最终目的地。从某种意义上说,它们就像“邮递员”在细胞内传递邮件。

生物机器人?

凡是有细胞核的生物(真核生物),其细胞内所有的结构,如蛋白质和其他部件,都必须在特定的时间,传递到细胞内特定的地方。如果所需要的部分是蛋白质,制造厂(称为核糖体)从细胞核获得图样,(原信息存储在细胞核中的DNA链上,所需要的部份被复制成RNA图样发送。)

这是个复杂的协调作用过程,首先必须造访这个细胞核的DNA库,到特定位置去开启所需要的特定信息(无论要制造的是什么部件),然后制作该部分信息的拷贝并运送到制造厂。

继而,细胞中的另一个细胞器(称为高尔基体)把这个拷贝包装在一个包裹里(称为泡),并在包裹的表面标记接收处的“地址”。

接着,受到传唤的驱动蛋白携带包裹,沿着细胞微管道路,送到所需要的地方去。(已发现有许多种不同特点和功能的驱动蛋白—包括驱动蛋白相关蛋白,从酵母到人类的各种生物都有发现,而上面的只是一个“普通”的任务的例子)

从大处理解

驱动蛋白是细胞内极其微小的“码头工人”(装卸工),它们肩膀上背着货物,因为沿着细胞内的微管通道运送物 品。“码头工人”(驱动蛋白)每获得一个ATP燃料分子,就会准确地向前迈出8纳米的一步
请参阅 www.umich.edu/news/MT/04/Fall04/story.html?molecular.

要认识科学家们所观察到的动蛋白的复杂性,我们可以从一个比较熟悉的角度来理解,请设想如下的情景:

“乔”先生的机器在工作时坏了,乔查出损坏的部件,他用手机向本地制造厂发出请求,并给了他们损坏的部件编号,要求提供一个新配件。

厂方接受了乔的要求,记录了乔的地址。厂方有一份他们生产的所有配件的编号清单,却没有制造它们的图纸。于是,厂方发电邮给另一家公司(该公司有一整套蓝图,函盖同业所需的所有部件),要求从这公司得到图样。这公司的人就复印了所需配件的图样,发送给制造厂。

按图样的说明,工厂生产了该部件,打包,并标上数据库中的邮政地址。快递人员接上了头,来到工厂,取了包裹。他手上有详细的城市地图,沿着最便捷的路线,传送了包裹,任务完成!

面对以上所描述的复杂程度,大多数人会啧啧称奇。这样复杂的手续,需要的技术和整合能力(如专业知识,通信系统,制造能力,和数据库)是相当的精细复杂,协调每个步骤都要求有智慧的人。然而,驱动蛋白所参与的实际过程,要比“乔”的上述经历复杂得多。

多面手

这已经令人难以置信了,然而研究显示,驱动蛋白所做的远远超过人们最初的想像。目前已知:驱动蛋白参与有丝分裂(细胞分裂)和减数分裂(细胞核分为四个子核的细胞分裂——产生生殖细胞)。除了运送细胞内“平常”的货物,神经元彼此交流信息所需的神经递质,也是由驱动蛋白运输的。

在结束传送过程后,某些驱动蛋白会拆除微管。在细胞分裂时,控制微管的长度特别重要。2 缺乏控制的细胞分裂,可能会导致染色体的不稳定性,这又与人类肿瘤有关。3

马蒂亚斯 ∙ 瑞夫(Matthias Rief, 来自慕尼黑科技大学物理系)教授说,“我们的结果表明,分子马达如果要在细胞内成功地运作,除了简单的交通运输之外,必须承担大量其他的功能。马达的开关必须能够切换,必须能够在特定位置接受负载,并把它交给目的地。4

快速高效

这些匪夷所思的驱动蛋白“机器人” 不仅能执行多种任务,同样不可思议的是它们的效率!让我们来看看这些先进的特点:

功率——“尽管它是微小的,驱动蛋白马达却有约50%的效率,大约是汽油发动机的两倍。按重量比,驱动蛋白产生的功率比人造马达多了近15倍。”5

高速——“驱动蛋白马达让人印象深刻的是速度快,能够每秒行100步。若是把驱动蛋白放大到我们的尺度,一个有类似功能的马达,按单位重量产生的速度和马力,会与最近突破音障的斯拉斯特(Thrust)超音速汽车的喷气式引擎相当”6,7 (这相当于一个人每秒移动600米,或每小时1300英里!)

123rf.com/Viktor Gmyria  8659-power

节能——驱动蛋白由通用能量化合物“ATP”提供能量(ATP由另一个神奇的“分子马达”ATP合酶制造,请参阅【ATP合酶:宏伟的分子机器—大师的杰作】一文)。 驱动蛋白每获得一个ATP “燃料”分子,这个“邮递员”就会准确地向前迈出8纳米的一步。当没有加载货物时,驱动蛋白则进入“睡眠状态”以防ATP被浪废。如同现代计算机暂停使用时会关机而节约能源一样,驱动蛋白也具有休眠功能。(虽然科学家知道,该马达在休眠时会折叠成“自动抑制”8 状态, 但其分子机制仍不清楚。)

团队精神——当工作艰巨时,多个驱动蛋白分子会合力工作。如果所需的运输负荷,对一个“邮递员”过重的话,有“明显的证据表明,细胞内的货物有多个马达运输。”9

它们还会将货物进行“多重转手”。像接力赛跑的运动员一样,驱动蛋白运行了一定的距离后,可以把货物传交给另一位“等待者”,由后者继续完成传送过程。

灵活安排——驱动蛋白有“绕行模式”功能,能够绕过可能遇到的障碍物。它们有类似于GPS系统“重新计算”的非凡能力,在需要时会自动改换路线。

回收——对于驱动蛋白的节约和循环利用能力,最热衷于“绿色”运动的冠军也会妒忌的。有充分证据表明:它们或者通过大型运输器械(如在城市的公交系统)分组运品回细胞中心;或者在完成任务时拆缷,将部件回收。10

自然主义作茧自缚

当然,这样惊人的复杂生物技术呼喊着“设计”,但在科学文献中描述这些叹为观止的的机器和流程时,神得到荣耀吗?没有!荣耀归于“自然”:

“令人感叹的是, 不知道‘自然’是如何将多重功能集合于一个分子的,在这方面,它仍然是远远优于现代纳米技术所有的努力,也是我们所有人的一个很好的榜样。”11

当科学展示如此有力的证据,显明上帝的大能时,为何智慧的人看到证据,却否认造物主?这当然是因为西方社会大多数人所受到的无神进化论的灌输。无神论自囿于自然主义,斯科特 · 托德(Scott Todd)博士(美国堪萨斯州立大学的免疫学家)说:“即使所有的数据都指向一个聪明的设计师,科学仍要排斥这样的假设,因为它是非自然的”。(对于过去许多敬畏神的伟大的科学家,例如艾萨克 · 牛顿爵士路易 · 巴斯德,这会是令人吃惊的消息)。

当然,按照进化论,真核细胞的出现应在二十亿年前。12 这意味着的进化论者愿意相信,这种鬼斧神工的复杂技术,如分子马达及其操作系统,产生于他们虚拟的时间表初期的自然过程(与智慧无关)。但是,迄今为止,这种技术远远优于在这个星球上最聪明的科学脑袋所造的任何产品!

进化论能解释我们的起源吗?

布洛克说:“细胞水平上的运动是生命的一个标志。”“一个根本的问题是,生物体怎么知道如何运动?答案是,它们开发了驱动蛋白和其他一些非常有效的蛋白机器。如果驱动蛋白完全失效,你甚至不会活到胚胎阶段,因为你的细胞就无法生存,它就是这么重要!”13

对于像驱动蛋白(及所需的操作和通信系统)这样的复杂的事情,如何能有一个逐渐的进化方式,进化论者没有看似合理的理论解释(更不必说我们所知的、所谓“简单”生物的无数其它功能和特性)。

然而,在我们的日常工作生活中,当看到类似的机器和操作系统(机器人,计算机,互联网等)时,它们总是有智能的、有目的的设计成果。要相信我们所能理解的终极意志(圣经中的造物主上帝)在我们体内和我们周围的世界里,创造了一切神奇的机器,岂不是更符合逻辑吗?

DNA是如何由RNA聚合酶转录成mRNA,接着在核糖体内(ribosome)被tRNA的“适配器”翻译成蛋白质。然后,蛋白质在伴侣分子的帮助下,按特定方式折叠。这种机器(伴侣分子)本身由DNA编码,若无解码器,DNA无法自我读码,这构成一种恶性循环,就像“鸡—蛋”的问题。此外,这些过程使用的能量,由ATP供给,ATP又由名为ATP合成酶的“马达”(右)制造。但ATP合酶马达也必须在DNA的指令下工作,这个指令又由解码器在得到ATP供能后解码……..一个三圆圈轮回,类似于“卵—蛹—蚱蜢”。

高度为20纳米的ATP合酶马达(一纳米是十亿分之一米)。这些旋转马达在线粒体膜(细胞的能源屋)由质子流(正电流)驱使而旋转。旋转着的马达把ADP分子及磷酸盐合成ATP细胞燃料。

参考文献

  1. Charles L. Asbury, Adrian N. Fehr, Steven M. Block, Kinesin Moves by an Asymmetric Hand-Over-Hand Mechanism, Stanford News Service, 12/5/03; news.stanford.edu/pr/03/kinesinproof1210.html. 回上一页.
  2. Carsten Peters, Katju˜a Brejc, Lisa Belmont, Andrew J Bodey, Yan Lee, Ming Yu, Jun Guo, Roman Sakowicz, James Hartman and Carolyn A Moores, Insight into the molecular mechanism of the multitasking kinesin-8 motor, Nature.com, The EMBO Journal (2010) 29, Published online: 3 September 2010; nature.com/emboj/journal/v29/n20/full/emboj2010220a.html. 回上一页.
  3. 同 2 回上一页.
  4. Motor molecules use random walks to make deliveries in living cells, Science Daily, July 21, 2009; sciencedaily.com/releases/2009/07/090721122841.htm. 回上一页.
  5. Karl Leif Bates, Molecular Motors—Nature uses tiny nano-machines that could work miracles if we learn how to build them, Michigan Today, 2004; michigantoday.umich.edu/04/Fall04/story.html?molecular. 回上一页.
  6. Thrust SSC 保持着全世界最高陆地速度记录。该记录创立于1997年10月15日,车速为每小时1228公里(763英里),成为正式突破音障的第一部汽车。 回上一页.
  7. Block, S.M., Kinesin: What Gives? Cell 93:5–8, 1998; stanford.edu/group/blocklab/Block-Cell Review.pdf. 回上一页.
  8. Hung Yi Kristal Kaan, David D. Hackney, Frank Kozielski, The structure of the kinesin-1 motor-tail complex reveals the mechanism of autoinhibition, Science 333(6044):883–885, 2011; sciencemag.org/content/333/6044/883. 回上一页.
  9. Erickson RP, Jia Z, Gross SP, Yu CC, How molecular motors are arranged on a cargo is important for vesicular transport, PLoS computational Biology 7(5), 5 May 2011; ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3088656. 回上一页.
  10. Braulio Gutierrez-Medina, Bason Clancy, Nick Guydosh, Johan Andreasson, Kinesin: an ATPase that steps along microtubules; stanford.edu/group/blocklab/kinesin/kinesin.html. 回上一页.
  11. 同5 回上一页.
  12. Michael Marshall, Timeline: The evolution of life, New Scientist-Life, 14 July 2009; newscientist.com/article/dn17453. 回上一页.
  13. 同1 回上一页.