生命的起源：先有蛋白質(zhì)還是先有氨基酸？

    那些大約在37億年前出現(xiàn)在地球上最早的蛋白質(zhì)是什么樣的？

    近日，科學(xué)家們試圖解答了這一問題。以色列魏茨曼科學(xué)研究所的Dan Tawfik教授和耶路撒冷希伯來大學(xué)的Norman Metanis教授重建了蛋白質(zhì)序列，它們很可能與現(xiàn)代蛋白質(zhì)的祖先非常相似。研究結(jié)果提出了這些原始蛋白質(zhì)進(jìn)化成活體細(xì)胞的一種可能性。該研究已發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊（PNAS）》上。

    細(xì)胞遺傳物質(zhì)編碼的蛋白質(zhì)相當(dāng)于活體細(xì)胞中的螺絲、彈簧和齒輪等所有運(yùn)轉(zhuǎn)部件。但是，我們認(rèn)為第一種蛋白質(zhì)早于細(xì)胞出現(xiàn)，因此也就早于我們已知的生命出現(xiàn)?，F(xiàn)代蛋白質(zhì)由20種不同的氨基酸組成，它們都是構(gòu)造蛋白質(zhì)所必需的，并且全部以高分子聚合物的形式排列——一種長的鏈狀分子，其中每種氨基酸的位置對于蛋白質(zhì)的功能至關(guān)重要。但是，關(guān)于最早的蛋白質(zhì)是如何產(chǎn)生的卻存在一個悖論。因為制造蛋白質(zhì)所需的氨基酸本身是由其他蛋白質(zhì)（酶）產(chǎn)生。這是一個雞生蛋還是蛋生雞的問題，到目前為止，它只是部分解答了這一問題。

    科學(xué)家們認(rèn)為，真正最早的蛋白質(zhì)源于較短的名為肽的蛋白質(zhì)片段。這些肽原本是原始化學(xué)湯中自發(fā)產(chǎn)生的氨基酸的粘性組裝。然后，短鏈肽會彼此結(jié)合，隨著時間的流逝，形成了具有某種作用的蛋白質(zhì)。

    氨基酸的自發(fā)產(chǎn)生早在1952年就已經(jīng)被證明，Miller和Urey在這項著名的實驗中，復(fù)制了人們認(rèn)為存在于地球生命之前的條件，并增加了可能來自閃電或火山的能量。研究表明在合適的條件下氨基酸可以在沒有酶或任何其他活體生物機(jī)制的情況下形成，這表明氨基酸是在酶這只“雞”出現(xiàn)之前的“蛋”。

    魏茨曼科學(xué)研究所生物分子科學(xué)系的Tawfik說，這一切都很好，但是，該實驗及后續(xù)的每個實驗都缺少某種重要的氨基酸類型，比如攜帶正電荷的精氨酸之類和賴氨酸。這些氨基酸對現(xiàn)代蛋白質(zhì)特別重要，因為它們與DNA和RNA相互作用，而DNA和RNA都帶有凈負(fù)電荷。

    如今，RNA被認(rèn)為是既可以攜帶信息又可以復(fù)制自身的原始分子，因此從理論上講，與帶正電荷的氨基酸接觸對于活體細(xì)胞進(jìn)一步發(fā)育是必不可少的。

    但是，在Miller和Urey的實驗中出現(xiàn)了一種帶正電荷的氨基酸，即一種名為鳥氨酸的氨基酸，這種氨基酸被發(fā)現(xiàn)存在于精氨酸產(chǎn)生的中間步驟，但其本身并不用于制造蛋白質(zhì)。因此，研究團(tuán)隊提出疑問：鳥氨酸是否就是那些祖先蛋白質(zhì)中缺少的氨基酸？為此，他們設(shè)計了一項實驗來檢驗這個假設(shè)。

    科學(xué)家們從一個與DNA和RNA結(jié)合的家族中相對簡單的蛋白質(zhì)開始，運(yùn)用系統(tǒng)發(fā)育的方法來推斷祖先蛋白質(zhì)的序列。該蛋白質(zhì)原本富含正電荷（64個氨基酸中的14個為精氨酸或賴氨酸）。接下來，他們創(chuàng)造了合成蛋白，鳥氨酸取代了這些氨基酸成為正電荷載體。

    基于鳥氨酸的蛋白質(zhì)能夠與DNA較弱地結(jié)合。然而，在Metanis的實驗室中，研究人員發(fā)現(xiàn)簡單的化學(xué)反應(yīng)可以將鳥氨酸轉(zhuǎn)化為精氨酸。這些化學(xué)反應(yīng)能夠在某種條件下發(fā)生，它存在于最初的蛋白質(zhì)在地球上出現(xiàn)之前。隨著越來越多的鳥氨酸轉(zhuǎn)化為精氨酸，蛋白質(zhì)越來越類似于現(xiàn)代蛋白質(zhì)，并以更強(qiáng)且更具選擇性的方式與DNA結(jié)合。

    科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，在RNA存在的情況下，肽的古老形式會進(jìn)行相分離，就像油滴在水中一樣，這一步驟隨后會導(dǎo)致自組裝和“部門化”。 Tawfik說，這表明這種蛋白質(zhì)與RNA一起可以形成原始細(xì)胞，真正的活細(xì)胞可能就是從原始細(xì)胞進(jìn)化而來的。