生物矿化是生物体通过调控无机矿物的成核、生长与组装，构建保护性或支持性矿化组织的复杂生物学过程。板壳虫科（Colepidae）纤毛虫的外层骨板由多糖基质连接无定形碳酸钙和磷酸二钙构成，并且能在细胞分裂后2到3小时内完成半壳的再生，是研究单细胞真核生物快速矿化机制的理想模型。
图 1板壳虫的双结构域碳酸酐酶
近日，中国科学院大学医学院苗苗教授团队在国际期刊《mBio》发表题为Bacterial domain fusion drives biomineralization innovation in Colepidae ciliates的研究论文，该研究通过比较基因组学和转录组动态分析，系统揭示了板壳虫科纤毛虫生物矿化的遗传学基础，并发现一类在板壳虫科中高度保守双结构域碳酸酐酶，为理解生物矿化的分子机制提供全新视角。
研究团队锁定一类全新双结构域融合碳酸酐酶，其N端为细菌来源的醛酮还原酶（Aldo）结构域，C端为真核生物自身的碳酸酐酶（Carb）催化结构域。系统发育分析表明，该Aldo结构域源于细菌的水平基因转移事件，这是真核生物通过借用原核基因模块实现功能创新的典型案例。
进一步的RNA干扰实验证实，敲低该融合基因后，纤毛虫的钙质骨板缺失，细胞形态异常，运动能力显著下降，生长受抑。这表明该融合蛋白对骨板形成及细胞稳态不可或缺。为阐明双结构域间的协同机制，研究团队突破了纤毛虫基因在原核系统中表达的技术瓶颈，首次成功实现融合蛋白及对应单结构域的异源表达。体外酶活测定显示，从细菌转移而来的Aldo模块具有醛酮还原酶活性，同时融合蛋白的碳酸酐酶活性显著高于单独碳酸酐酶结构域蛋白，表明两个结构域的物理连接产生了显著的催化协同效应。
这项研究不仅揭示了水平基因转移在真核生物复杂性状进化中的重要作用，表明细菌基因片段可以被真核生物劫持并重新利用以构建适应性结构，也为基于天然嵌合酶的仿生材料设计与合成生物学改造提供了思路。
研究生吴可可和陈文宇为论文共同第一作者，范成虎参与论文的部分工作，苗苗教授与国科大杭州高等研究院博士后张冰为共同通讯作者。研究得到国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项和中国博士后科学基金的资助。
