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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

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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。

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