蛋白质从何而来？重构原始蛋白质实验解决其起源之谜

翻译：卢大山 来源：中国数字科技馆

特异的HhH2折叠可与现代DNA分子的小沟结合。这种构造最早是如何形成的？（图片来源：魏茨曼科学院）

最早的蛋白质长什么样，是约37亿年前出现在地球上的吗？以色列魏茨曼科学院（Weizmann Institute of Science）的Dan Tawfik教授和耶路撒冷希伯来大学（Hebrew University of Jerusalem）的Norman Metanis教授重构了与现代蛋白质祖先高度相似的蛋白序列，该研究揭示了一种原始蛋白发展成为生命的方式。他们的成果被发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。

细胞中遗传物质编码的蛋白质是活细胞运转所需的螺丝、弹簧和齿轮。但我们假设，第一种蛋白质出现于细胞以及我们所知的生命以前。现代蛋白质由二十种不同的氨基酸组成，所有这些氨基酸对蛋白质的构建都是不可或缺的，它们以多聚体的形式排列成链状的长分子，其中每个位置的氨基酸都对蛋白质的功能有着至关重要的作用。但在构想最早的蛋白质是如何出现的时候，有一个悖论。因为构筑蛋白质的氨基酸也是由另一种叫酶的蛋白质制造的。这是一个类似于“先有鸡还是先有蛋”的问题，目前也只有部分答案。

科学家认为最早的真正蛋白质是由更短的蛋白质片段“肽”形成的。这些肽可能是原始化学汤自然产生的氨基酸的粘性组合，短肽之间又相互结合，随着时间积累，一个具备某种活性的蛋白质就诞生了。氨基酸的自然发生早在1952年就被证实，在著名的米勒-尤列实验（Miller-Urey experiment）中, 他们重现出地球上生命诞生前被认为存在的条件，并加入一些类似闪电或火山的能量。实验显示氨基酸可以在一定条件下，不依靠酶或生物体中的任何其他机制而形成，说明氨基酸这样的“蛋”是先于酶这样的“鸡”出现的。

魏茨曼科学院分子生物学系的Tawfik表示，一切都很好，“但有一类重要的氨基酸在米勒-尤列实验和相关后续实验中都找不到——精氨酸和赖氨酸之类的带正电荷氨基酸。”这些氨基酸对现代蛋白质尤为重要，因为它们可以与带负电荷的DNA和RNA相互作用。RNA如今被认为是一种既能携带信息又能自我复制的原始分子，所以理论上来说，与带正电的氨基酸接触是将来发育为活细胞的必经之路。

但米勒-尤列实验中出现了一种带正电的氨基酸，这种叫鸟氨酸的氨基酸如今在精氨酸合成的中间步骤被发现，但其本身并不用于构建蛋白质。该研究团队便提出问题：如果鸟氨酸是这些原始蛋白质中缺失的氨基酸呢？他们设计了一个原创实验来检验这种假设。

这群科学家从能与DNA和RNA结合的家族中一种相对简单的蛋白质入手，应用系统发育方法来推断其祖先蛋白质的序列。这种蛋白质富含正电荷，其64个氨基酸中有14个是精氨酸或赖氨酸。随后，他们造出一种合成蛋白质，其中带正电荷的氨基酸被鸟氨酸替换。

这种基于鸟氨酸的蛋白质可与DNA微弱地结合。然而在Metanis的实验室中，研究人员发现一些简单的化学反应可将鸟氨酸转化为精氨酸，而这些化学反应能在最早蛋白质诞生时设想的地球条件下发生。随着越来越多的鸟氨酸转化为精氨酸，这些蛋白质变得越来越像现代蛋白质，并以一种更强、更有选择性的方式与DNA结合。

科学家们还发现，当RNA存在时，这种古老形式的肽会发生相分离（就像水中的油滴出现油水分离一样），这个过程会导致自组装和分离。Tawfik对此认为，这样的蛋白质和RNA在一起可以形成细胞的原型，而真正的活细胞可能就是由此进化而来。