NASA发现了可能重新定义生命起源故事的RNA扭曲

最近的研究结果表明，对生命结构至关重要的分子的手性，在地球早期可能并不像以前认为的那样固定，这表明生命的起源更多样，适应性更强。

加州大学洛杉矶分校和美国宇航局戈达德太空飞行中心的研究人员发表的一篇新论文为生命之谜提供了新的见解。

先前针对现有分子生物学结构的实验表明，生命倾向于分子的同手性：即我们今天看到的对“单手性”的偏好。

这项新的研究集中在RNA世界中可能存在的结构上，表明RNA最初并没有对一种手性形式的氨基酸有预先的化学偏好。

探索生命不对称的基础

地球上的生命是否会以一种完全不同的形式存在，包括构成我们身体的遗传密码和蛋白质？生命发展的方式是否可能取决于这些分子是“左撇子”还是“右撇子”？

加州大学洛杉矶分校（UCLA）和美国宇航局戈达德太空飞行中心的科学家们在《自然通讯》上发表的一项新研究揭示了这个基本问题。这项研究表明，地球上最早的生命可能具有不同的形状，其结果本质上是一种化学抛硬币。

手性在分子生物学中的作用

在化学中，许多分子以两种镜像形式存在，就像左手和右手一样。尽管它们有相似之处，但这些被称为手性分子的形式并不相同，也不能重叠。这种独特的性质，被称为手性，在生命的结构和功能中起着至关重要的作用。

手性存在于糖中 —— 特别是DNA（脱氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸）中的“核糖” —— 以及大约20种常见的氨基酸中，这些氨基酸是所有执行遗传指令的蛋白质的基本组成部分。

地球上的所有生命都是由“右旋”糖和“左旋”氨基酸组成的。

它们的镜像对应物也存在。从理论上讲，这些被称为对映体的几何孪生分子也可以作为生命的基石。但在地球上，所有与生命有关的分子都具有完全相同的手性。

RNA世界假说与分子实验

DNA和RNA中的右旋糖和左旋氨基酸被认为是在地球早期进化而成的，在那里单链RNA可能是产生DNA和氨基酸的第一批分子。这个大约40亿年前的假设时期通常被称为“RNA世界”。

先前的实验表明，生命倾向于分子的同手性 —— 即我们今天看到的“单手性”的偏好 —— 但那些研究主要集中在现有的分子生物学结构上。

这项新研究的重点是RNA世界中可能存在的结构。他们的实验围绕核酶展开，核酶是一种已知能催化化学反应的小RNA片段。研究人员想知道是否右手核酶总是产生左手氨基酸，或者是否有一些变化。

对RNA灵活性的新认识

为了验证他们的假设，研究人员模拟了RNA世界早期的地球条件。他们培养了一种含有核酶和氨基酸前体的溶液，以观察苯丙氨酸的右手型和左手型的相对百分比，苯丙氨酸是这种溶液有助于产生的一种氨基酸。在测试了15种不同的核酶后，他们发现右旋核酶既可以支持左旋氨基酸，也可以支持右旋氨基酸。这表明，RNA最初并没有对某一种手性形式的氨基酸具有化学倾向性。

加州大学洛杉矶分校塞缪尔工程学院化学和生物分子工程教授Irene Chen说：“这一领域的早期工作更多地受到我们现有生物学中的化学结构的启发，而我们的研究着眼于任何RNA，这些RNA会在链的任何位置与活化的氨基酸发生反应。”“我们发现，这些核酶虽然与我们目前的生物学关系不大，但可能确实代表了地球上生命没有走的一条潜在的‘道路’。”

对地外生命和未来研究的启示

这种偏好的缺乏挑战了早期生命倾向于选择在现代蛋白质中占主导地位的左旋氨基酸的观念。这项研究还为如何寻找外星生命的化学信号提供了见解。

“研究结果表明，生命最终的同手性可能不是化学决定论的结果，而是在后来的进化压力下出现的，”研究作者Alberto Vázquez-Salazar说，他是加州大学洛杉矶分校的博士后学者，也是Irene Chen研究小组的成员。“这项工作强调了RNA作为研究早期进化和生命出现的模型的灵活性和适应性，特别是关于生物同手性的起源。”

地球的前生命历史超越了化石记录中最古老的部分，而化石记录已被板块构造逐渐破坏。在那段时间里，这颗行星很可能受到小行星的撞击。除了化学实验，其他生命起源研究人员一直在寻找陨石中的分子证据。

“了解生命的化学性质有助于我们知道在整个太阳系寻找生命时要寻找什么，”戈达德天体生物学高级科学家、天体生物学分析实验室主任Jason Dworkin说。

NASA正在进行的对生命组成部分的研究

Jason Dworkin是美国宇航局OSIRIS-REx任务的项目科学家，该任务从小行星Bennu上提取样本，并于去年将其送回地球进行进一步研究。

Jason Dworkin说：“我们正在分析OSIRIS-REx样本中单个氨基酸的手性（手性），未来，来自火星的样本也将在实验室中进行测试，以寻找包括核酶和蛋白质在内的生命证据。”

这项研究得到了美国国家航空航天局、西蒙斯生命起源基金会和美国国家科学基金会的资助。Vázquez-Salazar通过美国宇航局博士后计划获得支持，该计划由橡树岭联合大学根据与美国宇航局的合同管理。

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