化學家表示，他們透過證明 RNA 分子可以將氨基酸短鏈連線在一起，從而解決了生命起源理論中的一個關鍵問題。
這些 5 月 11 日發表在《自然》雜誌上的發現，支援了“RNA 世界”假說的一種變體，該假說提出，在 DNA 及其編碼蛋白質進化之前，最早的生物是基於 RNA 鏈的，RNA 分子既可以儲存遺傳資訊（以核苷 A、C、G 和 U 的序列形式），又可以作為化學反應的催化劑。
德國杜塞爾多夫海因裡希·海涅大學研究分子進化的 Bill Martin 說，這一發現“為早期化學進化開闢了廣闊而全新的研究途徑”。
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標準的“RNA 世界”理論認為，生命可能以複雜的原始 RNA 鏈的形式存在，這些 RNA 鏈既能自我複製，又能與其他鏈競爭。 後來，這些“RNA 酶”可能進化出構建蛋白質的能力，並最終將其遺傳資訊轉移到更穩定的 DNA 中。 這種情況究竟是如何發生的仍然是一個懸而未決的問題，部分原因是僅由 RNA 製成的催化劑遠不如當今所有活細胞中發現的基於蛋白質的酶有效。“儘管[RNA]催化劑已被發現，但它們的催化能力很差，”德國慕尼黑路德維希·馬克西米利安大學的有機化學家 Thomas Carell 說。
RNA 核糖體
在研究這個難題時，Carell 和他的合作者受到了 RNA 在所有現代生物體構建蛋白質的方式中所起作用的啟發：編碼基因的 RNA 鏈（通常從 DNA 鹼基序列複製而來）透過一個叫做核糖體的大型分子機器，該機器一次構建一個氨基酸的相應蛋白質。
與大多數酶不同，核糖體本身不僅由蛋白質組成，還由 RNA 片段組成——這些片段在蛋白質合成中起著重要作用。 此外，核糖體包含標準 RNA 核苷 A、C、G 和 U 的修飾版本。這些奇異的核苷長期以來一直被認為是原始湯的可能遺蹟。
Carell 的團隊構建了一個合成 RNA 分子，該分子透過連線在活細胞中常見的兩段 RNA，包含了兩個這樣的修飾核苷。 在第一個奇異位點，合成分子可以與一個氨基酸結合，然後側向移動，與相鄰的第二個奇異核苷結合。 然後，該團隊分離了他們原始的 RNA 鏈，並引入了一個新的 RNA 鏈，該鏈攜帶了自己的氨基酸。 這位於正確的位置，可以與先前連線到第二條鏈的氨基酸形成強大的共價鍵。 該過程一步一步地繼續，生長出一條氨基酸短鏈——一種叫做肽的微型蛋白質——它附著在 RNA 上生長。 氨基酸之間鍵的形成需要能量，研究人員透過用溶液中的各種反應物引發氨基酸來提供能量。
Martin 說：“這是一個非常令人興奮的發現，不僅因為它描繪了一條基於 RNA 的肽形成的新途徑，而且因為它還揭示了 RNA 天然存在的修飾鹼基的新進化意義。” Martin 補充說，結果表明 RNA 在生命起源中發揮了重要作用，但不需要 RNA 單獨自我複製。
亞特蘭大佐治亞理工學院的生物物理化學家 Loren Williams 對此表示贊同。 他說：“如果 RNA 的起源和蛋白質的起源是相關的，並且它們的出現不是獨立的，那麼數學計算就會發生根本性的轉變，有利於 RNA-蛋白質世界，而遠離 RNA 世界。”
為了證明這是生命起源的一種合理可能性，科學家們必須完成幾個進一步的步驟。 該團隊 RNA 上形成的肽由氨基酸的隨機序列組成，而不是由儲存在 RNA 中的資訊決定的序列。 Carell 說，更大的 RNA 結構可能具有摺疊成特定形狀的部分，這些形狀可以“識別”特定位點的特定氨基酸，從而產生結構明確的結構。 其中一些複雜的 RNA-肽雜合物可能具有催化特性，並受到進化壓力，變得更有效率。 “如果分子可以複製，你就擁有了類似迷你生物的東西，”Carell 說。
本文經許可轉載，首次發表於 2022 年 5 月 11 日。