史萊姆是一種年輕人耳熟能詳的虛構生物，它最遠可追溯到洛夫克拉夫特的恐怖小說中，而漫畫家鳥山明則將它設定成一個蹦蹦跳跳的黏液球，該設定在遊戲、動漫、奇幻文學中廣泛出現。史萊姆的形狀簡單，其生命力完全來源於「黏液」這個關鍵組分。藝術家們感知敏銳、概括精要，黏液這一設定實在絕妙，因為生命所至之處，黏液總是如影隨形。
圖源：Ludvig Hedenborg
粘液幾乎無處不在。它賦予我們的體液環境以稠度，從唾液到血漿再到組織液，幾乎充盈身體各處。粘液保護人們免受病毒等病原體（包括新冠）的侵害，同時在口腔等處為不計其數的益生菌建造了和諧家園。蛞蝓懸垂在黏液絲上，互相纏繞完成交配過程；盲鰻通過分泌黏液自保，它們分泌的黏液能在一瞬間擴大上萬倍；七鰓鰻通過黏液濾取食物；金絲燕則靠黏液築起巢穴。
蛞蝓交配過程
圖源：Ken Griffiths/Shutterstock
盲鰻是將黏蛋白和黏液運用得出神入化的動物之一。盲鰻一般生活在海面100米以下，身體白色，身形細長如蛇，嘴如橢圓形吸盤，裡面鑲著銳利的黃色角質齒。在遭遇危險時，盲鰻腹部兩側的腺體會收縮排出天然的純黏液， 並很快與水化合，形成質量擴大近25000倍的聚合物，可以有效封鎖敵人的攻擊。盲鰻就是憑著這一手絕活，在地球上繁衍了5億年。
盲鰻分泌黏液
圖源：ShareAmerica
盲鰻是韓國人的桌上佳餚。2017年7月14日，一輛滿載盲鰻的卡車在俄勒岡州的高速公路上翻車。這些本來要被送往韓國的盲鰻，一下子全部傾倒在了高速公路上，整個路面包括若干車輛都被黏液覆蓋。
2017年，一輛載有盲鰻的卡車側翻
圖源：路透社
從微觀結構看，黏液主要由黏蛋白（mucoprotein）和水構成，黏蛋白由糖分子修飾，這些糖是使黏液變黏的關鍵。與其他具有複雜3D構形的蛋白質不同，黏蛋白通常呈長棒狀。糖分子沿著蛋白骨架附著，形成複雜的刷狀結構。
黏蛋白結構示意圖
圖源：the Royal Society of Chemistry
蛋白質-糖分子的複合結構一直重複排列下去，從而在蛋白質表面形成了一層緻密的「糖衣」，整個結構就像試管刷，糖分子是刷毛，蛋白鏈是支架。糖衣使黏蛋白具有相當保水能力，也令其耐蛋白水解作用，這對粘蛋白的特性至關重要。這些結構也讓粘蛋白能夠彼此連接並粘黏住微生物，提升周圍液體的粘稠度。
對於盲鰻而言，每產生一升黏液，它們只需分泌40毫克蛋白質與液體，這僅為人類唾液中含有的幹物質的千分之一。盲鰻能夠大量製造黏液的訣竅在於，它將長長的黏蛋白盤成了一個細小的「線團」，這些黏蛋白伸長開來估計有一兩米長，但盤成的線團大小卻僅為頭髮絲橫截面的百分之一。相當於把一公里長的繩子塞進了一個鞋盒。盲鰻釋放這些「黏蛋白線團」之後，這些黏蛋白將迅速伸展並相互纏繞，形成一張快速擴張的大網，捕獲大量水和粘液。
盲鰻分泌的黏蛋白「線團」結構示意
圖源：Douglas Fudge
黏液進化之謎
儘管黏蛋白存在如此廣泛，功能普遍而重要，但它們是如何進化而來的卻一直困擾著科學家。為了弄清楚黏蛋白的起源，布法羅大學生物科學副教授Omer Gokcumen與同事們試圖在49個哺乳動物物種中找出黏蛋白的共同遺傳祖先。畢竟，進化更多是一種「改良式」的發展，而非「全盤創新」。新往往力求最小的改動來適應環境情況。因此，Gokcumen希望能夠對比出這些哺乳動物的粘蛋白基因的共通特徵，從而探尋黏蛋白基因的演進痕跡。
Gokcumen的團隊一開始假設，對舊黏蛋白基因進行復制改良以適應特定物種的需求，是黏蛋白進化的主要模式。但這一假設後來被證明並不完整。因為，若在基因組中對舊黏蛋白進行復制改良，那麼產生的所有新基因應該都會十分接近，差異只是局部。但Gokcumen的研究發現，雖然部分黏蛋白基因確實符合團隊假設的推論，但仍有許多「孤立」黏蛋白難以被歸入任何基因家族，這些孤立黏蛋白是如何憑空而來的呢？
科學家推測黏蛋白演進可能的三種模式
圖源：Omer Gokcumen
團隊注意到，人類眼淚的一種名為PROL1的蛋白質，看上去很像齧齒動物會產生的一種唾液黏蛋白MUC10。兩者主要的區別僅在於，PROL1沒有MUC10黏蛋白的那種關鍵「糖衣結構」。研究人員推測，MUC10黏蛋白可能正是通過PROL1蛋白添綴糖基而成。這能就是孤立黏蛋白「憑空出現」的奧秘所在。
為驗證這一思路，Gokcumen的團隊對49個哺乳動物物種的黏蛋白基因進行了比較，發現了15個孤立黏蛋白，它們似乎都是通過給非黏蛋白添加糖基而轉化成黏蛋白的。也就是說，相當一部新黏蛋白的進化路徑是將其他非黏蛋白基因「改裝」而來，這種「改裝」操作具體而言，就是在非黏蛋白基因中添加重複的糖蛋白基因片段。因此，這些黏蛋白基因自然跟舊有的黏蛋白基因就沒有聯繫了。
Gokcumen團隊的發現揭示了生物界中黏蛋白多樣性的由來，為人們理解基因複雜的進化圖景提供了新的視角。研究人員經常忽略那些重複的基因序列，因為它們很少出現在編碼功能蛋白的基因中。但黏蛋白的演進情況告訴我們，黏蛋白基因中重複的糖蛋白基因片段的數量可能是決定其該黏蛋白與其他黏蛋白差異的重要因素。重複基因序列的添加可能深刻影響著基因組的整體表達。
儘管是在進行著十分基礎性的生物研究，但Omer Gokcumen仍然深深感受到自己的工作與生活的聯繫。
他寫道，「兩年前我母親被診斷出癌症，我去看望她。那時剛下完雨，伊斯坦布爾的街道突然變成了生機勃發的鄉野，爬滿了令人不安的蝸牛。在與母親散步時，我著迷地撿起了一隻蝸牛。她非常害怕。但我不忍心告訴她，這些令人敬畏的生物徐徐前行時所依賴的生物學機制，也促進著她肺部腫瘤的不斷生長。」
「我想起了麥可·法拉第的名言：無論看向何處，只要足夠專注，目光就終會抵達整個宇宙。」 Gokcumen說。
參考文獻：
1.Malaker, S.A., Riley, N.M., Shon, D.J. et al. Revealing the human mucinome. Nat Commun 13, 3542 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-31062-4