科学家们重现了生命的第一步：将氨基酸与RNA连接起来

研究人员利用硫酯证明了在早期类地条件下氨基酸是如何自发地附着在RNA上的，这为蛋白质合成的起源提供了一个长期寻找的线索。这一发现连接了“RNA世界”和“硫酯世界”的理论，并提示了生命最早的肽可能是如何形成的。

　　

伦敦大学学院的化学家们展示了生物学中最基本的两种成分RNA（核糖核酸）和氨基酸是如何在40亿年前生命起源时自发结合在一起的。

氨基酸是蛋白质的基本组成部分，是几乎所有生命过程中必不可少的生命“主力”。但蛋白质不能自我复制或生产——它们需要指令。这些指令是由DNA的化学近亲RNA（脱氧核糖核酸）提供的。

在《自然》杂志上发表的一项新研究中，研究人员将生命的氨基酸与RNA在可能发生在地球早期的条件下进行了化学联系——这是自20世纪70年代初以来科学家们一直未能取得的成就。

该研究的资深作者、伦敦大学学院化学系的马修·鲍纳教授说：“生命依赖于合成蛋白质的能力——它们是生命的关键功能分子。”了解蛋白质合成的起源是了解生命起源的基础。

“我们的研究是朝着这个目标迈出的一大步，展示了RNA是如何首先控制蛋白质合成的。

“今天的生命使用一种极其复杂的分子机器——核糖体来合成蛋白质。这台机器需要写在信使RNA上的化学指令，信使RNA将基因序列从细胞的DNA传递到核糖体。然后，核糖体就像工厂的装配线一样，读取这些RNA，并将氨基酸一个接一个地连接在一起，形成蛋白质。

“我们已经完成了这个复杂过程的第一部分，在中性pH的水中使用非常简单的化学反应将氨基酸与RNA连接起来。这种化学反应是自发的、有选择性的，可能发生在地球早期。”

之前将氨基酸连接到RNA上的尝试使用了高活性分子，但这些分子在水中会分解，导致氨基酸相互反应，而不是与RNA相连。

在这项新研究中，研究人员从生物学中获得灵感，使用一种更温和的方法将生命中的氨基酸转化为活性形式。这种激活涉及到硫酯，这是一种高能化合物，在生命的许多生化过程中都很重要，并且已经有理论认为它在生命开始时发挥了作用。

鲍纳教授说：“我们的研究结合了两种著名的生命起源理论——‘RNA世界’和‘硫酯世界’，前者认为自我复制的RNA是生命起源的基础，后者认为硫酯是最早生命形式的能量来源。”

为了形成这些硫酯，氨基酸与一种叫做泛硫氨酸的含硫化合物反应。去年，同一个团队发表了一篇论文，证明pantetheine可以在早期类地条件下合成，这表明它可能在生命起源中发挥作用。

研究人员说，下一步是确定RNA序列如何优先与特定氨基酸结合，这样RNA就可以开始编码蛋白质合成的指令——遗传密码的起源。

“在我们能够完全阐明生命的起源之前，还有许多问题需要克服，但最具挑战性和最令人兴奋的仍然是蛋白质合成的起源，”Powner教授说。

来自伦敦大学学院化学系的首席作者乔蒂·辛格博士说：“想象一下，有一天化学家们可能会用由碳、氮、氢、氧和硫原子组成的简单小分子，从这些乐高积木中形成能够自我复制的分子。”这将是解决生命起源问题的里程碑式的一步。

“我们的研究通过展示两个原始化学乐高积木（激活的氨基酸和RNA）如何构建肽，使我们更接近这一目标，肽是生命所必需的短链氨基酸。

“特别具有开创性的是，这项研究中使用的活化氨基酸是一种硫酯，这是一种由辅酶a制成的分子，辅酶a是一种存在于所有活细胞中的化学物质。这一发现可能会将新陈代谢、遗传密码和蛋白质构建联系起来。”

虽然这篇论文只关注化学反应，但研究小组表示，他们证明的反应可能发生在地球早期的水池或湖泊中（但不太可能发生在海洋中，因为化学物质的浓度可能会被稀释）。

这些反应太小，无法用可见光显微镜观察，因此使用了一系列用于探测分子结构的技术来追踪反应，包括几种类型的磁共振成像（显示原子如何排列）和质谱分析（显示分子大小）。

笔记

诺贝尔奖得主克里斯蒂安·德·迪夫（Christian de Duve）提出，生命始于“硫酯世界”——一种新陈代谢优先的理论，设想生命始于由硫酯中的能量提供动力的化学反应。

*多肽通常由2到50个氨基酸组成，而蛋白质则更大，通常包含数百甚至数千个氨基酸，并折叠成3D形状。作为他们研究的一部分，研究小组展示了一旦氨基酸被装载到RNA上，它们是如何与其他氨基酸合成形成肽的。

这项工作是由工程和物理科学研究委员会（EPSRC）、西蒙斯基金会和皇家学会资助的。