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美國科學家提供了0億年前從建造單元過渡到生命的新見解

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美國科學家提供了0億年前從建造單元過渡到生命的新見解

萬物之初的世界一片荒涼
（報道）據鳳凰科技（編譯/嚴炎劉星）：科學日報報道 ，  萬物之初只有簡單的化學物質 ， 然后產生了氨基酸，后者最終形成創造單細胞必需的蛋白質，然后單細胞逐漸形成植物和動物 。近期的研究揭示了原始湯是如何創造氨基酸建造單元的 ， 且從單一細胞進化到植物和動物的過程已經達成了普遍的科學共識 。然而，至于這些建造單元最初是如何裝配成蛋白質的，目前仍是個謎 。而現在，美國北卡羅萊納大學的兩名科學家，理查德•沃爾芬登（Richard Wolfenden）和查爾斯•卡特（Charles Carter）提供了40億年前從建造單元過渡到生命的新見解 。
“我們的研究顯示了從一開始，遠早于大型成熟分子形成之前 ， 氨基酸物理特性、遺傳密碼和蛋白質折疊之間的密切聯系就非常重要 。”北卡羅萊納大學醫學院生物化學和生物物理學教授卡特這樣說道 ?！斑@種密切的相互作用很可能是從建造單元到有機體的進化的關鍵因素 。”
這項發表在期刊《美國國家科學院院刊》上的文章悍然不顧目前有問題的“RNA世界”理論，后者認為RNA——在基因編碼、調控和表達方面起著作用的分子——是從氨基酸和宇宙化學物質組成的原始湯里提升出來，它首次產生了名為肽鍵的較短蛋白質，然后再產生了單細胞有機物 。
沃爾芬登和卡特辯論稱RNA并非孤軍奮戰，事實上 ， 更可能的一種情形是并非RNA催化了肽鍵的形成，而是肽鍵催化了RNA的形成 。這項發現為幾十億年前生命是如何進化的補充了新的知識 。
地球所有生物的最后一個共同祖先露卡
科學界意識到36億年前存在目前地球上所有生命的最后一個共同祖先露卡（Luca） 。它很可能是一個單細胞有機物，具有幾百個基因，已經完成了DNA復制、蛋白質合成和RNA轉錄的藍圖 。它具有現代有機物所具備的所有基本組成部分，例如類脂 。從露卡的時間線往后，我們很容易了解生命是如何進化的 。
然而，在36億年前，地球上的沸騰化學物質原始湯——46億年前地球產生之后它們就存在了——是如何產生露卡的 ， 目前并沒有確鑿的證據 。這些化學物質發生相互作用形成氨基酸，后者仍是現代細胞里蛋白質的基本構建單元 。
“我們已經了解了很多有關露卡的信息 ， 而現在我們開始了解產生建構單元，例如氨基酸的化學機制，而目前這兩者之間卻是知識的沙漠 。”卡特說道 ?！拔覀兩踔敛恢廊绾翁剿鬟@片沙漠 ?！倍F在，北卡羅萊納大學的這項最新研究象征著這片沙漠的邊區村落 。
“沃爾芬登博士確定了二十個氨基酸的物理特性 ， 我們發現這些物理特性和遺傳密碼之間存在相關性 ?！笨ㄌ卣f道 。“這一相關性表明存在第二個更早的密碼使得肽鍵-RNA相互作用變為可能，后者是產生一個自然選擇的必要條件，這一自然選擇最終導致地球上第一個生命的產生 。”
因此，卡特認為，RNA并非從原始湯里憑空產生 。相反，更可能的一種情況是，甚至在細胞存在之前，就已經存在氨基酸和核苷酸的相互作用 ， 后者導致蛋白質和RNA的共同產生 。
蛋白質的衍化：從簡單到復雜
蛋白質必須以特定的形式折疊才能保證功能正常 。由沃爾芬登帶領進行的第一篇發表在《美國國家科學院院刊》上的文章顯示，二十個氨基酸的極性（它們在水和油之間如何分布的）和它們的大小幫助解釋了蛋白質折疊的復雜過程——當一條相互連接的氨基酸鏈自我排列形成特殊的具有特定生物功能的三維結構 。
“我們的實驗顯示了氨基酸的極性是如何在一系列不同的溫度范圍里持續發生改變 ， 從而保證不會擾亂遺傳編碼和蛋白質折疊之間的基本關系 。” 沃爾芬登說道 。這是非常重要的，因為當地球上生命最初形成時，地球的溫度非常炙熱，很可能比現在或者第一批動物和植物產生時更加炙熱 。
在沃爾芬登實驗室進行的一系列有關氨基酸的生物化學實驗展示了兩個特性——氨基酸的大小以及極性——是解釋氨基酸在折疊蛋白質里的特性的充分必要條件 ， 這些關系即使是在40億年前地球環境溫度更高時仍然成立 。沃爾芬登博士目前還任職于美國北卡羅來納大學教堂山分校藝術與科學學院化學系 。
第二篇由卡特帶領進行的發表在《美國國家科學院院刊》上的文章深入研究了名為氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase, 簡稱aaRS)的酶是如何識別轉移核糖核酸（又稱轉運RNA, 簡稱tRNA）的 。這些酶翻譯了遺傳密碼 。
“將轉運RNA想像成一個適配器，”卡特說道 ?！斑m配器的一端攜帶了一種特定的氨基酸，而另一端則讀取信使RNA里這一氨基酸的基因藍圖 。每一個合成酶將這二十個氨基酸與各自的適配器相匹配 ， 使得信使RNA里的基因藍圖每次都可以產生正確的蛋白質 ?！?br /> 卡特的分析顯示L形狀的轉運RNA分子的兩端包含獨立的編碼或者準則，后者會指定選擇哪種氨基酸 。轉運RNA攜帶氨基酸的一端會根據氨基酸的大小整理分類氨基酸，而L形狀轉運RNA分子的另一端名為tRNA反密碼子 ， 它會讀取密碼子，后者是遺傳信息里的三個RNA核苷酸序列 ， 它們會根據極性選擇氨基酸 。
沃爾芬登和卡特的研究暗示了轉運RNA和氨基酸物理特性——它們的大小和極性——之間的關系在地球原始湯時期是至關重要的 。根據卡特之前對名為Urzymes的tRNA合成酶的小活動核心的研究，很有可能對大小的選擇先于對極性的選擇 。這種有順序的選擇意味著最早的蛋白質不一定是折疊成獨特的形狀，它們的獨特結構很可能是之后進化的 。
卡特說道：“翻譯遺傳密碼連接著生命前的化學和生物學 。”他和沃爾芬登相信基因編碼的中間階段幫助解決了兩個謎題：復雜是如何產生于簡單 ， 以及生命是如何在兩種不同的高分子，蛋白質和核苷酸之間分配勞動力的 。“遺傳編碼是在兩個相繼的過程里產生的——第一個階段相對簡單——這一事實可能是生命能夠在地球還很年輕時產生的原因之一 ?！蔽譅柗业墙忉尩?。
一個更早的編碼——它促使了最早的編碼肽鍵與RNA相連接——可能提供了一個決定性的選擇優勢 。這種原始系統可能經歷了一個自然選擇的過程 ， 因此產生了一種新的生物形式的進化 。
【美國科學家提供了0億年前從建造單元過渡到生命的新見解】“RNA和肽鍵之間的合作很可能是復雜性自發產生的必要條件，”卡特補充說道 。“于我們看來，地球曾是一個肽鍵-RNA的世界 ， 而非只有RNA的世界 ?！边@項研究得到了美國國立衛生研究院(National Institutes of Health，簡稱NIH)的資金支持 。