深入了解生命的起源:是先有蛋白質還是先有胺基酸?

2021-01-09 中國生物技術網

那些大約在37億年前出現在地球上最早的蛋白質是什麼樣的？

近日，科學家們試圖解答了這一問題。以色列魏茨曼科學研究所的Dan Tawfik教授和耶路撒冷希伯來大學的Norman Metanis教授重建了蛋白質序列，它們很可能與現代蛋白質的祖先非常相似。研究結果提出了這些原始蛋白質進化成活體細胞的一種可能性。該研究已發表在《美國國家科學院院刊（PNAS）》上。

細胞遺傳物質編碼的蛋白質相當於活體細胞中的螺絲、彈簧和齒輪等所有運轉部件。但是，我們認為第一種蛋白質早於細胞出現，因此也就早於我們已知的生命出現。現代蛋白質由20種不同的胺基酸組成，它們都是構造蛋白質所必需的，並且全部以高分子聚合物的形式排列——一種長的鏈狀分子，其中每種胺基酸的位置對於蛋白質的功能至關重要。但是，關於最早的蛋白質是如何產生的卻存在一個悖論。因為製造蛋白質所需的胺基酸本身是由其他蛋白質（酶）產生。這是一個雞生蛋還是蛋生雞的問題，到目前為止，它只是部分解答了這一問題。

科學家們認為，真正最早的蛋白質源於較短的名為肽的蛋白質片段。這些肽原本是原始化學湯中自發產生的胺基酸的粘性組裝。然後，短鏈肽會彼此結合，隨著時間的流逝，形成了具有某種作用的蛋白質。

胺基酸的自發產生早在1952年就已經被證明，Miller和Urey在這項著名的實驗中，複製了人們認為存在於地球生命之前的條件，並增加了可能來自閃電或火山的能量。研究表明在合適的條件下胺基酸可以在沒有酶或任何其他活體生物機制的情況下形成，這表明胺基酸是在酶這隻「雞」出現之前的「蛋」。

魏茨曼科學研究所生物分子科學系的Tawfik說，這一切都很好，但是，該實驗及後續的每個實驗都缺少某種重要的胺基酸類型，比如攜帶正電荷的精氨酸之類和賴氨酸。這些胺基酸對現代蛋白質特別重要，因為它們與DNA和RNA相互作用，而DNA和RNA都帶有淨負電荷。

如今，RNA被認為是既可以攜帶信息又可以複製自身的原始分子，因此從理論上講，與帶正電荷的胺基酸接觸對於活體細胞進一步發育是必不可少的。

但是，在Miller和Urey的實驗中出現了一種帶正電荷的胺基酸，即一種名為鳥氨酸的胺基酸，這種胺基酸被發現存在於精氨酸產生的中間步驟，但其本身並不用於製造蛋白質。因此，研究團隊提出疑問：鳥氨酸是否就是那些祖先蛋白質中缺少的胺基酸？為此，他們設計了一項實驗來檢驗這個假設。

科學家們從一個與DNA和RNA結合的家族中相對簡單的蛋白質開始，運用系統發育的方法來推斷祖先蛋白質的序列。該蛋白質原本富含正電荷（64個胺基酸中的14個為精氨酸或賴氨酸）。接下來，他們創造了合成蛋白，鳥氨酸取代了這些胺基酸成為正電荷載體。

基於鳥氨酸的蛋白質能夠與DNA較弱地結合。然而，在Metanis的實驗室中，研究人員發現簡單的化學反應可以將鳥氨酸轉化為精氨酸。這些化學反應能夠在某種條件下發生，它存在於最初的蛋白質在地球上出現之前。隨著越來越多的鳥氨酸轉化為精氨酸，蛋白質越來越類似於現代蛋白質，並以更強且更具選擇性的方式與DNA結合。

科學家們還發現，在RNA存在的情況下，肽的古老形式會進行相分離，就像油滴在水中一樣，這一步驟隨後會導致自組裝和「部門化」。 Tawfik說，這表明這種蛋白質與RNA一起可以形成原始細胞，真正的活細胞可能就是從原始細胞進化而來的。

論文連結：

https://www.pnas.org/content/early/2020/06/18/2001989117

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