最早的蛋白質,是怎麼產生的?

2021-01-09 騰訊網

大約在37億年前，地球上出現了第一批蛋白質。一直以來，科學家都希望能弄清這些最早的蛋白質究竟是如何產生的，以及它們會是什麼樣子的。然而，想要了解這些信息並非易事，因為這些蛋白質可能是基於非生物自發合成的；此外，現代蛋白質的結構和功能又很可能與這些最早的祖先蛋白質之間差異巨大。

現代蛋白質是由20多種不同胺基酸組成的。胺基酸是蛋白質形成所必需的部分，它們以聚合物（長長的鏈狀分子）的形式線性排列，構成大分子形式的蛋白質。在蛋白質的長鏈分子中，每個胺基酸的位置對蛋白質的具體結構和功能都至關重要。

一直以來，蛋白質的起源問題都是一個好似「先有雞還是先有蛋」的悖論：合成蛋白質所需的胺基酸本身離不開各種生物酶的作用；而酶本身就是蛋白質。直到現在，科學界都都無法很好地對此作出解釋。

支持蛋白質出現在細胞和生命之前的科學家認為，最早的真正意義上的蛋白質是由肽構成的，而這些肽可能是由那些在原始化學湯中自發產生的胺基酸組成的；短肽會彼此結合，隨著時間的推移，產生一種具有某種功能的蛋白質。

生物學家Miller和Urey在1952年進行了一項著名的研究，他們通過實驗證明了胺基酸可以自發生成。實驗中，他們模擬了科學家推測的在生命存在之前的地球環境，發現在適當的條件下，胺基酸可以在不藉助酶或其他現有的生物機制的情況下得以形成。

這樣的結果是否意味著，胺基酸是可以先於酶形成的？

然而答案卻是否定的。因為在那個實驗中，有一類至關重要的胺基酸是缺失的；並且不僅僅是在那個實驗中，在隨後的每個這樣的實驗中，這種胺基酸都是缺失的：這是一類與精氨酸和賴氨酸一樣，攜帶正電荷的胺基酸，即所謂的鹼性胺基酸（陽離子胺基酸）。

鹼性胺基酸對現代蛋白質來說特別重要，因為它們會與攜帶淨電荷為負的DNA和RNA相互作用。現在我們認為，RNA是最原始的既能攜帶信息又能自我複製的分子，因此它們與帶正電荷的胺基酸作用，或許是使得生命細胞得以進一步發展的必要步驟。

雖然Miller和Urey的實驗沒有產生已知存在於現代蛋白質中的鹼性胺基酸，卻的確出現了一種名為鳥氨酸的攜帶正電荷的胺基酸。後來的生物學研究發現，鳥氨酸只是精氨酸製造過程的一個中間步驟，其側鏈能通過非生物化學反應進一步修飾為精氨酸，因此它本身並不能被用來製造現代蛋白質。

在一項新的研究中，來自以色列的魏茨曼科學研究學所和希伯來大學的研究人員提出了這樣一個問題：鳥氨酸是否可能是那些祖先蛋白中的鹼性胺基酸呢？

實驗中重構的蛋白質(HhH)2與現代DNA分子的結合丨[2]

他們設計了一系列實驗來檢驗這種可能性，他們重構了一種蛋白質序列，這些蛋白質序列很可能與失散多年的祖先蛋白質非常相像。實驗先從一個能與DNA和RNA結合的相對簡單的蛋白質開始，然後利用系統發育的方法來推斷祖先蛋白質的序列。這是一類富含正電荷的蛋白質，其中64個胺基酸中有14個都是攜帶整點的精氨酸或賴氨酸。

接著，他們用鳥氨酸作為正電荷載體取代了精氨酸或賴氨酸，創造出了合成蛋白質。這些以鳥氨酸基礎的蛋白質會與DNA結合，但結合強度不大。

通過簡單的化學反應將鳥氨酸轉化為精氨酸丨魏茨曼科學研究學院

在新的實驗中，研究人員採用簡單的化學反應，將鳥氨酸轉化為了精氨酸；而這些化學反應發生的條件，是科學家認為在第一批蛋白質出現之時，普遍存在於地球上的環境。隨著越來越多的鳥氨酸被轉化為精氨酸，蛋白質就會變得越來越像現代蛋白質，並以更強、更有選擇性的方式與DNA結合。

含有原始精氨酸的蛋白質（右）可能具有自我組裝和相分離的能力，從而產生類似細胞的液滴丨[2]

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（就像油滴在水中出現油水分離一樣），這一步驟會導致自我組裝和分離。研究人員解釋說，這表明這些蛋白質和RNA可以形成原始細胞，而我們現在所知道的活細胞可能就是從那樣的原始細胞中進化而來的。

參考來源：

[1] https://wis-wander.weizmann.ac.il/life-sciences/which-came-first

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

封面圖來源：bogitw / Pixabay

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