栉水母。雅各布·温尼科夫摄
栉水母已经适应了从表层水域到深海，从寒冷极地到温暖热带的栖息地。图中展示了研究中所涉及的17个栉水母中的4种。
寒冷、黑暗的海底压强极大，完全不适合我们这些生活在地面上的生物：在最深处，十余千米深的海水压力，比人身上每块手指大小的地方都踩了一头大象还恐怖。然而，地球上最深的地方却孕育着能适应这些极端环境的生命。科学家研究过一些较大的深海动物（如鱼和水滴鱼）如何适应压力，但对于细胞和分子如何承受深海压力，他们还知之甚少。栉水母的细胞膜揭示了一种新的深海适应机制：弯曲的脂质使细胞膜在压力下也能维持理想的形状。
奇妙的脂质分子
“生活在深海的动物与生活在浅层水域的动物截然不同，”美国加利福尼亚大学圣迭戈分校研究细胞膜生物化学的伊泰·布丁说，“它们显然有生物学上的特殊性。但在分子层面上，究竟是什么决定了这种特殊性，我们了解得还不多。”
在最近发表于《科学》杂志的一项研究中，研究人员对细胞如何适应深海环境进行了迄今为止最深入的探究。2018年，布丁遇到了深海生物学家史蒂夫·哈多克，他们合作研究了是不是因为细胞膜，特别是构成膜的脂质分子，使动物能在如此高压的环境中茁壮成长。
为了找出答案，他们转向了栉水母——哈多克在加利福尼亚州蒙特雷湾水族馆研究所（MBARI）研究的一类结构简单的半透明动物。他的学生雅各布·温尼科夫带领的跨学科团队发现，生活在深海的栉水母与浅海栉水母细胞膜中的脂质分子形状大不相同。深海栉水母的脂质中四分之三是缩醛磷脂，这是一种弯曲的脂质，在浅层水域的动物中较为罕见。在深海的压力下，这种弯曲的分子能够形成特定的形状来同时维持细胞膜的稳固和流动性。
“这是一篇震撼的论文，具有非常深远的影响，”在加利福尼亚大学圣迭戈分校研究深海压力下微生物如何生存的道格拉斯·巴特利特（未参与该研究）表示。“他们为深海动物（可能还有深海微生物及各种有机体）的脂质适应深海压力的方式提供了另一种解释。”
“他们正在研究一个基本未被探索的领域，”康奈尔大学研究分子生物物理学的索尔·格鲁纳说道。他曾为该研究提供建议，但并未参与该项研究。
缩醛磷脂也存在于人类大脑中，了解它们在深海动物细胞膜中的作用可能有助于解释细胞信号传递的许多现象。更直接地说，这项研究揭示了生命适应深海极端环境的新方式。
疯狂的膜
地球上所有生命的细胞都被称为脂质的分子包裹。如果将一些脂质放入试管并加水，它们会自动背对背排列成膜：脂质的疏水尾部聚集形成膜内部，而亲水的头部则排列形成膜外部。“这就像油水分离的过程，”温尼科夫说，“这是脂质的特性，也是由它们形成的细胞膜能够正常运作的原因。”
对于一个细胞来说，脂质膜外部是一个物理屏障，就像房屋的外墙一样，提供结构并维持细胞内部的稳定。但这种屏障不能过于坚固：它上面布满了蛋白质，这些蛋白质需要一定的空间来执行各种细胞任务，例如跨细胞膜运输分子。而有时，为了释放化学物质到外部环境中，细胞膜会局部凸出并脱离，然后再重新融合。
为了维持细胞膜的健康和功能，膜必须既稳固同时又具有流动性。“细胞膜处于一种微妙的平衡状态，”温尼科夫说，“尽管它有非常明确的结构，但构成两侧膜的单体分子始终在流动，这实际上是一种液晶态。”
他说，这种结构的一个突出特性是膜的中间部分对温度和压力极为敏感，比其他生物分子（如蛋白质、DNA或RNA）要敏感得多。例如，如果你降低脂质膜的温度，分子的流动速度会变慢，“最终它们会锁在一起”，就像把橄榄油放入冰箱一样，温尼科夫说道。“从生物学角度来看，这通常是一件坏事。”新陈代谢过程会停止，膜甚至可能会破裂并泄漏其内容物。
为了避免这种情况，许多适应寒冷环境的动物的细胞膜由一系列结构略有不同的脂质分子组成，以在低温下保持这种液晶态结构的流动性。由于高压同样会减慢细胞膜的流动性，许多生物学家认为深海动物细胞膜的构建方式与此类似。
但事实证明，这些研究人员并未弄清细胞膜工作的全貌。为了真正了解深海动物细胞膜如何适应极端环境，需要生物化学家和海洋生物学家的合作以及更先进的技术。
不同压力环境中的细胞膜
一项新研究发现，深海栉水母的细胞膜主要由锥形脂质构成，这种脂质只有在高压下才能正常工作。在深海的压力下，这种弯曲的脂质能够形成特定的形状来同时维持细胞膜的稳固和流动性。如果把它们带到浅海区域，这些细胞膜就会分崩离析。相反，如果将浅海区域脂质形状更为竖直的细胞膜带至深海，它们则会被过度挤压，变得过于紧密而无法正常工作。
深入研究
栉水母是一种身体脆弱的捕食者，以多种猎物为食。它们还是使用纤毛游泳的最大动物，其纤毛排列成行，称为栉毛。遗传学证据表明，它们是动物演化树上最早独立演化的一支。尽管它们在某些方面与水母相似，但实际上人类与水母的亲缘关系比栉水母与水母之间的亲缘关系还要近。而栉水母能成功地在各种海洋栖息地定居，从表层水域到深渊，从热带一直到极地。
你可能会想到，这样一个广泛分布的群体应该具有很强的适应能力。实际上，生活在深海的栉水母与那些生活在浅海水域的栉水母有很大不同。“你把深海栉水母带到海面，它们会立即解体，”巴特利特说，“它们会融化消失，这种现象非常惊人。”同样，如果浅水栉水母进入深海，它们会加速摆动纤毛，最终死亡。但是没人知道它们在分子层面上的差异。
2018年，栉水母研究专家哈多克参加了一个关于真核生物起源的会议。在观看了布丁关于细胞膜对温度反应的研究报告后，他找到了这位脂质专家。哈多克的研究生温尼科夫希望研究生物对极端压力的适应性。众所周知，脂质对压力敏感，因此细胞膜是理想的研究对象，于是他们决定展开合作。
哈多克、布丁和温尼科夫首先从不同海域收集栉水母。温尼科夫穿戴潜水装备，小心翼翼地将蒙特雷湾浅水区的栉水母引入罐中。在蒙特雷湾水族馆研究所的海洋船只上，他协助操作深海机器人，从约3700千米的深度采集栉水母。为了寻找寒冷水域的对照，他和布丁还请在北极探险的朋友帮忙采集寒冷水域表面的栉水母。最终，团队共采集了来自17个相关物种的66个个体。
即将开始分子实验部分时，新冠疫情暴发了。于是，温尼科夫在自己的车库里搭建了一套实验装置。他提取了所采集样本中的细胞膜，并利用荧光光谱仪进行分析，得到的结果让他感到困惑。在温度升高时深海细胞膜的流动性并没有增加——这一现象曾被认为是脂质膜的普遍反应。
于是，他和布丁请教了康奈尔大学粒子加速器的前任主管格鲁纳。格鲁纳说，如果他们真的想知道膜中发生了什么，他们需要强大的高能X射线，而他知道一个完美的来源。
重压之下
康奈尔大学主运动场地下约15米深处埋藏着一个同步加速器：一种利用高频电场和低频磁场加速带电粒子的粒子加速器。这一设施的部分功能，是由格鲁纳致力推动建立的，似乎专门为研究深海细胞膜而设计。2020年，机构开放了小角X射线散射实验操作系统，这套系统不仅能够区分脂质等分子的细微形状，还可以增加或减少它们所承受的压力。
研究团队同样也承受了一定的“压力”，因为他们必须利用有限的时间，熬夜在该设施进行实验。能量巨大的X射线照射在脂质样本上，揭示了迄今为止最清晰的深海细胞膜图像。研究发现，与浅水区栉水母的细胞膜脂质形状相比，深海栉水母的膜脂质在标准大气压下的形状更弯曲。它们体内产生的缩醛磷脂明显更多。
“在这些深海栉水母中，缩醛磷脂可以占它们全身所有膜脂质的四分之三，这实在是太不可思议了，”温尼科夫说，“我们反复检查过，确保这没有弄错。”
他解释道，在浅海压力下，缩醛磷脂拥有一个小的磷酸基头部和两条宽大、张开的尾巴，形状类似羽毛球。但在高压环境下，尾巴被挤压在一起，形成了既坚固又灵活的结构。
“它们的脂质形状与众不同，”布丁说，“因此，当你挤压它们时，即使是在极端压力下，它们依然保持着我们自身细胞中那种‘恰到好处’的形状。”布丁和温尼科夫将这种新发现的现象称为“弯曲稳态适应”。
巴特利特指出，缩醛磷脂细胞膜在深海中就像被按下的弹簧一样。如果把它们带到浅海区域，就如同弹簧的张力被释放，它们会急剧扩展。“这时细胞及其膜就会分崩离析。”相反，对于浅海区域中那些脂质的脂肪酸尾端伸直的细胞膜，如果被带至深海，它们则会被过度挤压，变得过于紧密而无法正常工作。
值得注意的是，在北极寒冷浅水域中生活的栉水母并没有弯曲的缩醛磷脂。“膜的成分几乎将它们的生存空间限制在特定的压力范围内，”澳大利亚贝克心脏与糖尿病研究所研究缩醛磷脂的脂质生物学家彼得·米克尔说道，他并未参与此项研究。
不过，布丁希望看到这些脂质在活细胞中的表现。当他在同步加速器进行一个深夜实验时，突然有了灵感。“在夜深人静、疲惫不堪时，有时你会冒出些好点子。”他说。那时他偶然发现了一篇有趣的论文，文中提出了一个研究脂质的创新方法。论文作者改造了大肠杆菌，使其能在自己的细胞膜中产生缩醛磷脂，而不是正常的脂质。布丁意识到，他们团队也可以通过类似方法，诱导细菌产生更多的缩醛磷脂，然后加压测试含缩醛磷脂的细胞膜在活细胞中的表现。
按照论文的方法，他们发现了含缩醛磷脂细胞膜的细菌确实比普通细菌对压力更耐受。这些实验性细胞膜中仅有20%的缩醛磷脂，但是“足以产生差异”，温尼科夫说道。
在与栉水母如此不相关的物种中，这种弯曲的脂质竟也产生了类似的抗压效果，这让巴特利特印象深刻。“这项研究很可能揭示，弯曲稳态适应或许是生命的一个普遍特性。”他说。
弯曲的灵活性
缩醛磷脂不只存在于深海生物，它们也以不同比例存在于其他生物中，包括人类。人体细胞膜中缩醛磷脂的百分比取决于细胞类型。在肝脏中，缩醛磷脂占磷脂的5%；在肌肉中，比例介于20%到40%；而在大脑中，缩醛磷脂则占到约60%。
事实上，缩醛磷脂的损坏已被认为与神经退行性疾病（如阿尔茨海默病）有关。“有证据表明，缩醛磷脂对神经元具有更强的保护作用。”研究缩醛磷脂与哺乳动物健康相关性的米克尔说道。
温尼科夫推测，缩醛磷脂可能为神经细胞提供了适当的灵活性，以满足它们相互传递信号的需求。为了传递信号，神经元会将神经递质装入细胞囊泡，然后这些囊泡与细胞膜融合，将神经递质释放给下一个神经元。温尼科夫认为，或许是缩醛磷脂的弯曲结构使这一过程成为可能。
米克尔也认同这一点。“确实，缩醛磷脂的锥形结构在细胞膜的弯曲变形中起到了重要的作用。”他说。随着进一步了解脂质在膜功能中的作用，这些发现可能会对更广泛的膜研究产生影响。
“这项研究提出的新问题比它解答的问题还要多，”格鲁纳说，“但希望这能激发更多人开始思考，并进行更深入的研究。”
事实上，温尼科夫现在作为哈佛大学的博士后，正在研究这种脂质适应机制在不同生物体中是否具有普遍性。他已经开始新的实验，试图弄清楚在海底热泉——海底岩浆与海水相遇的深海区域——发现的生物是否有类似的适应机制。
他还补充说，真正有趣的是去研究古菌——生命的第三个分支。古菌的脂质不同于细菌和真核生物中的脂质：它们遵循不同的化学原理，温尼科夫说，“那么，它们是否遵循相同的物理原理呢？”
（作者：亚塞明·萨普拉科格卢，本文译者钟庆国系中山大学附属第三医院纳米医学中心博士研究生，研究方向为细胞膜修饰）
本版图文由《环球科学》杂志社供稿
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