科学家重现40亿年前生命起源关键步骤：氨基酸与RNA自发结合

IT之家 9 月 2 日消息，科学家成功重现了约 40 亿年前可能开启生命进程的关键步骤，研究人员证实，在早期地球环境下，蛋白质的组成单位 —— 氨基酸可与核糖核酸（RNA）自发结合，这揭示了生命起源中缺失的一个关键环节。

伦敦大学学院（UCL）的研究团队发现，生命的两种核心成分 ——RNA（核糖核酸）与氨基酸，或许在 40 亿年前生命诞生之初就已自然结合。

据IT之家了解，氨基酸是蛋白质的基本组成部分，而蛋白质堪称“生命的引擎”，几乎驱动着所有生物功能。但蛋白质无法自我复制，也不能生成自身合成所需的指令。这些指令来自 RNA，这是一种与 DNA（脱氧核糖核酸）密切相关的分子。

该团队在《自然》（Nature）期刊发表的研究显示，他们在模拟早期地球的环境条件下，成功实现了氨基酸与 RNA 的结合。自 20 世纪 70 年代初以来，科学家们一直试图达成这一目标，如今终于取得突破。

伦敦大学学院化学系资深作者马修・波纳教授解释道：“生命的存续依赖蛋白质合成能力 —— 蛋白质是生命的核心功能分子。要弄清生命的起源，理解蛋白质合成的起源至关重要。我们的研究向这一目标迈出了一大步，揭示了 RNA 最初可能是如何开始控制蛋白质合成的。”

波纳教授称“如今的生命依靠核糖体这一极其复杂的分子机器来合成蛋白质。这台‘机器’需要信使 RNA 携带的化学指令 —— 信使 RNA 会将细胞 DNA 中的基因序列传递给核糖体。随后，核糖体如同工厂的装配线，读取 RNA 中的信息，将氨基酸逐一连接，最终形成蛋白质。我们借助水中中性 pH 环境下的简单化学反应，完成了这一复杂过程的第一步 —— 让氨基酸与 RNA 结合。这种化学反应具有自发性和选择性，完全可能在早期地球环境中发生。”

此前，科学家尝试让氨基酸与 RNA 结合时，使用的是高活性分子，但这类分子在水中易分解，还会导致氨基酸相互反应，而非与 RNA 结合。

在这项新研究中，团队从生物学中汲取灵感，采用更温和的方法将氨基酸转化为活性形式。这一激活过程涉及硫酯 —— 一种高能化合物，它在生命的多种生化过程中发挥重要作用，此前已有理论认为它在生命起源阶段扮演关键角色。

波纳教授表示：“我们的研究整合了两种主流的生命起源理论 ——‘RNA 世界’理论认为自我复制的 RNA 是生命的基础，而‘硫酯世界’理论则提出，硫酯是早期生命形式的能量来源。”

硫酯的形成需要氨基酸与一种含硫化合物 —— 泛酰巯基乙胺发生反应。去年，该团队曾发表论文证实，泛酰巯基乙胺可在模拟早期地球的环境中合成，这意味着它很可能在生命起源中发挥了作用。

研究人员表示，下一步计划探究 RNA 序列如何优先结合特定氨基酸，使 RNA 能够开始编码蛋白质合成的指令 —— 这正是遗传密码的起源。

波纳教授指出：“要完全阐明生命起源，我们仍需解决诸多问题，而其中最具挑战性也最令人兴奋的，仍是蛋白质合成的起源问题。”

伦敦大学学院化学系第一作者乔蒂・辛格博士说：“试想有一天，化学家能利用由碳、氮、氢、氧、硫原子构成的简单小分子，像搭乐高积木一样，组装出具有自我复制能力的分子。这将是破解生命起源之谜的里程碑式一步。我们的研究让这一目标更近了一步 —— 我们证实了两种原始的‘化学乐高积木’（活化氨基酸与 RNA）如何构建肽链。肽链是由氨基酸构成的短链，对生命而言至关重要。尤其具有突破性的是，本研究中使用的活化氨基酸是一种硫酯，而硫酯源自辅酶 A—— 所有活细胞中都存在的一种化学物质。这一发现或许能将新陈代谢、遗传密码与蛋白质合成联系起来。”

尽管该论文的研究重点完全集中在化学过程上，但研究团队表示，他们所证实的反应很可能发生在早期地球的水池或湖泊中（海洋中可能性较低，因为那里的化学物质浓度可能过低）。

这些反应的规模极小，无法通过光学显微镜观察，研究团队通过多种分子结构探测技术对其进行了追踪，包括可显示原子排列方式的多种磁共振成像技术，以及能测定分子大小的质谱分析技术。