争论的焦点

在2007年,科学来自6800万年前恐龙股骨碎片的蛋白质序列已被公布。骨头来自一个雷克斯霸王龙-它的名字，“暴君蜥蜴之王”，承认它曾经是已知的最大的食肉恐龙。这篇论文来自古生物学家玛丽·施韦策美国北卡罗莱纳州立大学的研究人员及其同事报告说，在恐龙骨骼中发现的胶原蛋白的氨基酸序列与现代鸡的氨基酸序列非常相似。鸟类和恐龙之间的进化联系并不出乎意料，但这一结果仍然遭到了深深的怀疑——蛋白质真的能存活这么长时间吗?

尽管史怀哲的蛋白质序列不是第一个古老的蛋白质序列，但它比当时报道的任何其他蛋白质都要古老100倍。在接下来的18个月里，有两篇反驳文章发表。批评者关注的是用于识别蛋白质序列的质谱数据的质量和统计分析。马修·柯林斯英国约克大学跨学科生物学、化学和考古学小组的负责人，是其中一份反驳书的签署人。他说:“我们的分析表明，胶原蛋白最多只能存活700万年。”当时的感觉是，证据还不够有力，无法支持这种非同寻常的说法。

对结果的另一种解释是蛋白质来自细菌或现代蛋白质的污染。还有人认为，它们确实来自合著者分析过的鸵鸟样本约翰Asara美国波士顿贝斯以色列女执事医疗中心的质谱实验室。尽管这发生在霸王龙分析。柯林斯说，他怀疑受到了污染，因为序列似乎太完整了。“年老的蛋白质会受到损伤和破坏，而这些肽中没有任何损伤的证据——它们看起来很新鲜，考虑到它们的年龄，这将是令人惊讶的。”

惊人的发现

施韦策对古代蛋白质组学的研究纯属偶然。她曾师从美国著名古生物学家杰克·霍纳(Jack Horner)，但她年轻的家庭使野外工作变得困难，因此她选择专攻实验室化石分析。的霸王龙霍纳在蒙大拿州发现了深埋在砂岩中的样本。施韦策说，她被眼前的景象惊呆了。“我在恐龙骨头里发现了类似血细胞的东西，它仍然是骨头。我们发现，如果我们对骨头进行脱矿处理，就会有物质残留，这也与我们认为的化石形成方式相悖。“人们普遍认为，随着时间的推移，有机物会迅速降解，矿物质会完全填补空隙。

她继续分析那里有什么，使用可以识别特定蛋白质和多肽的抗体，并与Asara合作使用液相色谱串联质谱(LC-MS /MS)对蛋白质进行测序，其中两台质谱仪串联使用以提高分辨率。为了获得蛋白质组学数据，她的样品使用螯合剂脱矿，然后在分析之前用化学方法提取剩余的有机物。氨基酸序列由基于软件的算法和先前测序的蛋白质数据库重建。

胶原蛋白是存在于动物结缔组织和骨骼中的纤维结构蛋白，构成了骨骼中85% - 90%的有机物质，所以它是你最期待找到的蛋白质。但研究小组还发现了骨骼中发现的其他蛋白质，包括肌动蛋白、微管蛋白和组蛋白。施韦策补充说:“我们确实有一个血红蛋白序列，但我们只得到了一个序列，一次，所以我还没有发表它。”

古代蛋白质组学的证据标准是一个棘手的问题，这不仅是因为施韦策有争议的结果，还因为早期的古代DNA研究。在20世纪90年代初，一些出版物声称在琥珀中发现了恐龙的骨头和昆虫的DNA，但这些都被证明是现代DNA污染。这导致了一段时间的极端保守主义和内斗，所有的结果都受到质疑。这一领域直到最近十年新一代测序技术的出现才得以恢复。

古老的蛋白质组学界正在努力避免重蹈覆辙。“我们不想跟哥哥们一样，”他说卡佩里尼恩里科他是丹麦哥本哈根大学的地球遗传学研究员。由于质谱仪器的改进，蛋白质组学研究人员已经比早期的古代DNA研究人员处于更好的位置。柯林斯说:“现在的分辨率和灵敏度都非常好，我们可以看到以前从未见过的东西。”此外，污染在蛋白质组学中不是什么问题，因为它不涉及DNA测序所必需的扩增步骤。通过PCR(聚合酶链式反应)复制DNA样本，有足够的检测，但这也放大了任何引入的污染物。

抵制降解

现在也很清楚，蛋白质比DNA存在的时间更长。卡佩里尼说:“即使在DNA无法被记录的情况下，在样本中也有可能找到蛋白质片段。”除了施韦策的结果，生物考古学家在2013年报告了第二古老的蛋白质序列——来自350万年前北极高地骆驼的胶原蛋白迈克·巴克利英国曼彻斯特大学教授。与之相比，最古老的DNA测序样本是在加拿大育空地区发现的一匹70万年前的马。发现的不仅仅是胶原蛋白——2012年，卡佩里尼从一块4.3万年前的长毛象骨骼中鉴定出了126个不同的蛋白质序列。

我开始研究这些抗降解蛋白质背后的化学原理——它可能本质上与我们修复组织的过程相同

目前尚不清楚骨蛋白是如何抵抗降解而存活数百万年的。对于胶原蛋白，巴克利认为有两个因素可以解释它的强度——骨骼中无机羟基磷灰石的保护包裹作用，以及胶原蛋白本身由三螺旋多肽组成的结构。他解释说:“它有这种三重螺旋结构，它们本身与其他螺旋交联，形成大量的原纤维和纤维，形成坚固的绳索状结构。”

施韦泽还有另一种理论，与血液中发现的铁的化学活性有关。她在软组织化石中发现了类似针铁矿(a-FeOOH)的纳米颗粒，她认为这可能来自血红蛋白。她说，她在听一场关于阿尔茨海默病和大脑中高铁含量之间可能存在联系的讲座时产生了一个想法。“我开始研究这背后的化学反应。她想知道从血红蛋白中释放出的活性铁是否会产生自由基，导致蛋白质之间形成键。她说:“本质上，当我们用甲醛固定组织时，也发生了同样的过程——你只是把所有东西交联起来，这样就没有东西能接触到它来降解它。”甲醛通过碳链将蛋白质中的主要氨基与附近的其他氮原子交联。施韦策在血红蛋白溶液中使用现代血管对这一想法进行了测试。“到现在已经六年了，它们仍然在室温下愉快地坐在实验室里。“重要的是阻止最初几年的退化。“如果你能让它们在这段时间内稳定下来，剩下的可以通过矿物沉积来二次稳定，”她补充道。

协助物种鉴定

考古学家用蛋白质测序代替DNA，提供了一个更久远的生物镜头。巴克利一直在寻找一种识别和区分动物物种的方法。最初，胶原蛋白似乎是一个不太可能的解决方案，因为它具有一致的重复氨基酸序列，由甘氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸组成。但是，虽然胶原蛋白的三条螺旋多肽链中有两条是相同的，巴克利发现第三条链在物种之间表现出更大的差异。巴克利说:“我开始开发技术，优先从第三条链中分离出一些片段。”他用这种方法创建了物种指纹。

他能够将新石器时代的骨头碎片与土耳其出土的山羊和绵羊区分开来(这对研究早期社会的考古学家来说是一个有用的区分，因为养羊需要更多的资源)。巴克利说，它们胶原蛋白的差异很小，一个肽中只有两个氨基酸。“例如，一只绵羊和一只山羊在大约800万年前就有了差异，而我们依赖的是一个单一的肽变化，所以它远不如DNA的分辨率高。”

另一个长期存在的难题是南美洲有蹄类动物的分类——一群哺乳动物已经灭绝了10000年。2015年，柯林斯报告了对美国自然历史博物馆样本的分析。他解释说:“这些东西太奇怪了，因为它们是独立进化的，它们的特征使它们看起来像一系列不同的动物。”betway必威游戏下载大全他形容它们像啮齿动物一样，牙齿不断生长，但大小和河马差不多。当无法恢复DNA时，约克大学的研究小组被请来寻找蛋白质。胶原蛋白测序证实，它们属于马家族，而不是之前认为的大象家族。

但Cappellini说，古代蛋白质组学提供的不仅仅是物种鉴定。“它可以让你研究基因表达的产物(蛋白质)——所以虽然基因可能是相同的，但基因表达的变化与不同的生物过程有关。”“从人类牙齿，或者更具体地说，钙化牙菌斑或牙石中，我们得到了一些令人兴奋的结果。”卡佩里尼2014年对德国中世纪修道院1000年历史的微积分进行了研究，得出了43种人类蛋白质的序列。其中25种是免疫系统产生的对抗入侵细菌的蛋白质，还有炎症蛋白，这表明这些人有活跃的蛀牙。同一个研究小组还对牙石中的蛋白质进行了测序，以获得饮食方面的信息。我们的祖先有乳糖不耐症，但4000-5000年前的基因突变改变了这一点，他们开始食用生牛奶。柯林斯说:“我们现在发现了生牛奶蛋白b-乳球蛋白，这是一个显著的标志。”“过去我们一直在推测牛奶的消费量，现在我们可以通过对蛋白质的测序来观察人们牙齿中的蛋白质。”

需要更多证据

古代蛋白质组学现在是一个不断发展的领域，但对其真实性仍没有共识霸王龙蛋白质。2009年，施韦策接着发表了一份关于8000万年前的蛋白质的报告Brachylophosaurus股骨。的Brachylophosaurus是一种中等大小的恐龙，头骨顶部有一个桨状的盘子。Schweitzer进行了抗体研究和质谱分析，现在使用清洁的实验室环境来降低污染的风险以及更高分辨率的仪器。数据还证实了胶原蛋白序列的存在，并支持它们与鸟类胶原蛋白的联系。

但这项工作并没有让她的批评者闭嘴。巴克利解释说:“我认为科学界的很大一部分人仍然没有决定。”他承认蛋白质的生存极限可能比他350万年前的北极骆驼还要古老。“如果它是现在的两倍长，我也不会太惊讶，但从几百万年到8000万年是一个巨大的飞跃。”柯林斯同意目前出版物的说法，但他诱人地声称，他的实验室正在研究一些令人兴奋的新想法，即蛋白质如何能比这更长寿，他认为这可能会改变游戏规则。

塞吉奥Bertazzo他是英国伦敦大学学院的化学家和电子显微镜专家，对施韦策的工作并不持怀疑态度。他解释说，人们总是可以质疑质谱分析结果，但当你看显微镜图像时，所有细胞和胶原蛋白结构的证据都在那里。贝尔塔佐的“日常工作”是成像患病的血管，他通过一次偶然的机会与伦敦帝国理工学院的古生物学家苏珊娜·梅德门特(Susannah Maidment)会面，开始研究古代骨骼。她找到了一些非常碎片化的白垩纪(1.455亿至6550万年前)恐龙骨骼，供贝尔塔佐成像。

当我看到带着条带的纤维时，我想这真的是原来蛋白质的样子

在骨头的小块区域，Bertazzo惊讶地清楚地看到了绳索状胶原纤维的剥离模式，这是他在现代骨骼中看到的特征。他确信自己看到的是恐龙的胶原蛋白。“当我看到那里的纤维带带时，我想这真的是原来蛋白质的样子。“能量色散x射线能谱数据证实，这些区域的碳含量很高，他决定使用纳米分析技术来仔细观察这些成分。”Bertazzo使用表面敏感飞行时间次级离子质谱(TOF-SIMS)揭示了含有胶原纤维典型氨基酸片段的区域。扫描电子显微镜图像也显示了看起来像红细胞的区域，这些区域的质谱特征与鸸鹋血液的光谱最接近。

贝尔塔佐急于指出的是，他的化石样本并没有像施韦策的化石样本那样保存得特别完好。它们是英国自然历史博物馆准备出售的未分类的零碎物品。贝尔塔佐说:“在由于某种原因受到保护的微观区域，一些原始有机成分被保存了下来。”“我们真的认为这很常见。”

那么问题来了——恐龙的DNA还会残留吗?Schweitzer已经用多种方法测试了DNA，包括用DAPI(4 '，6-二氨基氨基-2-苯基吲哚)等荧光染色剂，它能与双链DNA中富含腺苷和胸腺嘧啶核苷酸的区域强烈结合。结果显示，骨细胞内的荧光区域与现代细胞样本的模式相当，施韦策认为DNA残留物可能仍然存在。“更好的问题是，我们能否对超过100万年的DNA进行测序，然后这就变成了一个技术问题。“目前的下一代测序方法还不能对少于50个碱基对的DNA片段进行测序，所以在技术进步之前，不太可能对剩余的DNA片段进行测序。”

与此同时，分析古代蛋白质正在帮助考古学家和古生物学家确定有时难以找到的证据。例如，考古学家无法识别考古遗址中发现的80-90%的骨头碎片的物种，因为它们太小了。因此巴克利开始开发一种高通量的方法来分析骨头碎片中的蛋白质。他说:“我的实验室为一个项目分析了1万多个样本。”这在寻找古代人类遗骸时尤其有用，因为有时很难从其他动物的骨头中挑选出来。

与此同时，施韦策正在等待更多的出土样本进行测试，关于蛋白质保存的进一步证据或新理论能否动摇她的怀疑论者，还有待观察。从五岁起，恐龙就一直是她的爱好，但她认为有更广泛的理由继续寻找早已灭绝的物种的分子组成。她说:“恐龙在任何生物所见过的最大的全球气候变化中幸存了下来。”更多地了解它们随时间的变化可以教我们一些关于生物学的一般性知识，以及它如何适应不断变化的环境。

雷切尔·巴西，英国伦敦科普作家