《自然》新研究破解生命核心謎題：首批蛋白質(zhì)如何誕生？ | 深度報道

原文發(fā)表于 《科技導(dǎo)報》2025年第17期科技新聞-深度報道

首批蛋白質(zhì)組裝機制提供生命起源新線索——研究揭示RNA或能在無預(yù)制蛋白質(zhì)機制條件下促成氨基酸連接

土耳其亞勒什勒湖等堿性湖泊可能曾是地球首批蛋白質(zhì)組裝的理想場所（圖片來源：

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作為細胞中的“萬能勞模”，蛋白質(zhì)承擔著從肌肉收縮到氧氣輸送等各類功能。生命的存續(xù)依賴于蛋白質(zhì)，而蛋白質(zhì)的合成又依賴于RNA。除了攜帶制造蛋白質(zhì)的遺傳指令，RNA還參與蛋白質(zhì)的組裝過程。在現(xiàn)代細胞中，首先由大型蛋白質(zhì)酶將RNA片段與氨基酸（蛋白質(zhì)的基本組成單位）連接，隨后由RNA和蛋白質(zhì)共同構(gòu)成的細胞機器（核糖體）會讀取信使RNA鏈上的編碼序列，將氨基酸逐一連接成蛋白質(zhì)鏈。但在數(shù)十億年前，在酶和核糖體尚未演化的時代，生命最初的蛋白質(zhì)又是如何形成的？

研究人員提出了一種全新機制：在無需復(fù)雜酶或核糖體參與的情況下，RNA和氨基酸可配對組裝成小分子蛋白質(zhì)（肽）。這項發(fā)表于

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蛋白質(zhì)合成過程（圖片來源：科學(xué)網(wǎng)）

倫敦大學(xué)學(xué)院化學(xué)家、研究負責人Matthew Powner表示：“這是實現(xiàn)生命信息分子編碼肽鏈的第一步。”慕尼黑路德維希-馬克西米利安大學(xué)化學(xué)家Thomas Carell評價該研究“為解決前生命化學(xué)重大謎題提供了精彩洞見”。

蛋白質(zhì)與核酸合作的核心在于RNA促進氨基酸連接的過程。氨基酸無法自發(fā)形成蛋白質(zhì)，必須經(jīng)過化學(xué)“激活”才能像火車車廂一樣串聯(lián)起來。現(xiàn)代生物通過大型酶促作用，促進氨基酸與細胞能量分子ATP的反應(yīng)，生成一種特殊形態(tài)的氨基酸，并與RNA發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進而形成一種活化復(fù)合物（氨酰基RNA）。之后，核糖體才能以其為原料，在剪除RNA片段的同時將氨基酸拼接成肽鏈。

自20世紀70年代以來，眾多研究團隊試圖在模擬早期地球原始環(huán)境的條件下，通過化學(xué)策略合成活化氨酰基RNA。但Powner指出，這些反應(yīng)要么效率低下，要么根本無法進行，且生成的化合物在水中極不穩(wěn)定，難以在早期地球長期存續(xù)。

為突破這一局限，Powner團隊轉(zhuǎn)而研究另一種高能化合物，即參與多種細胞代謝反應(yīng)的泛酰硫基乙胺。2024年，研究人員證實泛酰硫基乙胺可在早期地球湖泊環(huán)境中自然形成。在這項新研究中，他們將泛酰硫基乙胺加入含有氨基酸的水中，兩者發(fā)生反應(yīng)，形成名為“氨酰基硫醇”的復(fù)合物，這種物質(zhì)隨時可與RNA發(fā)生反應(yīng)。耶路撒冷希伯來大學(xué)生命起源化學(xué)家Moran FrenkelPinter解釋道：“這種復(fù)合物能使氨基酸與RNA結(jié)合，而非氨基酸之間的相互反應(yīng)。”

RNA存在單鏈螺旋和雙鏈螺旋2種形態(tài)。當Powner團隊嘗試使氨酰基硫醇與單鏈RNA反應(yīng)時，氨基酸會無序地附著在RNA鏈各處。但使用更接近現(xiàn)代細胞中氨基酸配對模式的雙鏈RNA時，反應(yīng)生成的活化氨酰基RNA結(jié)構(gòu)與酶促產(chǎn)物完全一致。未參與研究的倫敦大學(xué)學(xué)院生命起源化學(xué)家NickLane評價道：“這項成果令人印象深刻，即便過程略有不同，但確實呈現(xiàn)了生命化學(xué)的雛形。”Powner團隊進一步推進實驗，在反應(yīng)體系中加入早期地球可能大量存在的硫化氫和硫代酸，成功使氨酰基RNA中的氨基酸片段自發(fā)性連接成肽鏈，且全程無需酶或核糖體參與。Lane指出，該研究目前僅能生成隨機序列的肽鏈，與核糖體通過基因調(diào)控的有序排列不同。

Lane表示：“他們尚未攻克這一難題。”Powner對此表示認同，但也指出當前研究已發(fā)現(xiàn)部分RNA對特定氨基酸的結(jié)合具有微弱偏好性：“這只是第一步。”

盡管“有序排列”的難題尚未破解，Lane仍認為這項研究有助于彌合生命起源研究領(lǐng)域不同陣營的分歧。數(shù)十年來，“RNA優(yōu)先”學(xué)派強調(diào)RNA的核心作用，而“新陳代謝優(yōu)先”學(xué)派則主張自維持化學(xué)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)先于自我復(fù)制的遺傳分子出現(xiàn)。Lane表示，這項研究表明高能化合物在連接氨基酸與RNA過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，讓“整個領(lǐng)域的觀點在一定程度上趨于統(tǒng)一”。

文 / Robert F. Service

（譯自

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