人民日報(bào)9月26日16版
你是否曾想過，40億年前的地球宛如一座“煉獄”——火山噴涌，海洋沸騰，沒有氧氣。在萬物混沌之中，生命的種子究竟是如何萌發(fā)的？近日，英國倫敦大學(xué)學(xué)院的馬修·波納研究團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)突破性研究成果。他們通過模擬早期地球環(huán)境條件，首次成功實(shí)現(xiàn)了RNA（即核糖核酸，存在于生物細(xì)胞、某些病毒及類病毒中的遺傳信息載體）與氨基酸在無酶條件下的化學(xué)連接。自20世紀(jì)70年代以來，這一難題一直困擾著科學(xué)界，而該成果為解答生命起源中“蛋白質(zhì)如何合成”的關(guān)鍵問題提供了全新思路。
蛋白質(zhì)合成示意圖
分子如何邁出通向生命的第一步
生命起源與演化研究是全球科學(xué)家持續(xù)探索的重大課題，呈現(xiàn)出多學(xué)科交叉融合的特點(diǎn)。
在環(huán)境條件領(lǐng)域，科學(xué)界主要存在兩種假說，一種是深海熱液生命起源假說，認(rèn)為熱液噴口富含的礦物可為早期化學(xué)反應(yīng)提供能量與催化條件；另一種是陸地?zé)崛h(huán)境假說。2024年11月，由中國科學(xué)家領(lǐng)銜的國際團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了在地球最早期陸地?zé)崛降沫h(huán)境中，鐵硫化物可通過光熱催化作用還原二氧化碳，產(chǎn)生甲醇，從而為地球生命起源的關(guān)鍵代謝途徑提供物質(zhì)基礎(chǔ)。
在分子進(jìn)化領(lǐng)域，相關(guān)研究多聚焦RNA、蛋白質(zhì)和脂類等生物大分子的自組裝與功能演化，以及“原始細(xì)胞”的形成、遺傳密碼的起源與演化等。
此外，科學(xué)家還通過模擬早期地球條件，綜合運(yùn)用化學(xué)、生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)等多學(xué)科知識，嘗試在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中重現(xiàn)生命起源的關(guān)鍵步驟。天體生物學(xué)研究也將生命起源的探索延伸至對地外樣本（如隕石、火星土壤等）的分析，以更好理解地球生命起源，同時(shí)為尋找地外生命提供思路方法。
此次倫敦大學(xué)學(xué)院團(tuán)隊(duì)的成果就屬于分子進(jìn)化研究范疇。“要完全闡明生命起源，我們?nèi)孕杞鉀Q諸多問題，而其中最具挑戰(zhàn)性也最令人興奮的，仍是蛋白質(zhì)合成的起源問題。”波納表示。
我們知道，氨基酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本單元，而RNA則負(fù)責(zé)傳遞遺傳信息并控制蛋白質(zhì)的合成。了解RNA如何與氨基酸結(jié)合，對于理解生命起源和蛋白質(zhì)合成機(jī)制具有關(guān)鍵意義。在現(xiàn)有生命體中，RNA與氨基酸的連接需要專門的酶（合成酶）來催化，而這些酶本身又是蛋白質(zhì)，其合成信息存儲在核酸中，需要由核糖體（RNA是其核心成分）來翻譯合成。這就產(chǎn)生了一個(gè)“先有雞還是先有蛋”的經(jīng)典悖論：沒有核酸，就無法編碼合成蛋白質(zhì)；但沒有蛋白質(zhì)（酶），核酸的復(fù)制和翻譯又無法進(jìn)行。倫敦大學(xué)學(xué)院團(tuán)隊(duì)的研究證明，在生命出現(xiàn)之前，無需復(fù)雜的酶，RNA和氨基酸就可以在早期地球環(huán)境下自發(fā)連接。這一發(fā)現(xiàn)為“分子如何邁出通向生命的第一步”提供了新的關(guān)鍵線索。
融合“RNA世界”和“硫酯世界”兩大生命起源理論
近半個(gè)世紀(jì)以來，科學(xué)家們一直在探索RNA與氨基酸在無酶條件下的連接機(jī)制，但始終未能成功。以往，科學(xué)家嘗試讓氨基酸與RNA結(jié)合時(shí)，使用的是高活性分子，但這些分子在水中易分解，還會(huì)導(dǎo)致氨基酸相互反應(yīng)，而不是與RNA結(jié)合。
倫敦大學(xué)學(xué)院團(tuán)隊(duì)采用了一種更溫和的方法——用硫酯（一種高能化合物）來激活氨基酸。硫酯是很多生物化學(xué)反應(yīng)中的關(guān)鍵化合物。研究人員發(fā)現(xiàn)，氨基酸與一種叫做“泛硫乙胺”的含硫化合物反應(yīng)后，就能變成硫酯形式去激活氨基酸。把這些激活的氨基酸放進(jìn)模擬早期地球環(huán)境的中性水中，氨基酸就能連接到RNA上。這一反應(yīng)不僅自發(fā)發(fā)生，還具有高度的選擇性，即將氨基酸精準(zhǔn)地連接到RNA分子的特定部位，這種選擇性避免了氨基酸之間的隨意反應(yīng)。這在生命起源過程中至關(guān)重要，因?yàn)殡S意拼接出的亂序短肽（介于氨基酸和蛋白質(zhì)之間的物質(zhì)）基本不可能具備穩(wěn)定功能。由于這些反應(yīng)的規(guī)模極小，無法通過光學(xué)顯微鏡觀察，研究團(tuán)隊(duì)通過多種分子結(jié)構(gòu)探測技術(shù)對其進(jìn)行追蹤，包括顯示原子排列方式的磁共振成像技術(shù)和測定分子大小的質(zhì)譜分析技術(shù)。
研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，由于海洋中的化學(xué)物質(zhì)濃度可能過低，而被稀釋的環(huán)境不利于這種化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，該反應(yīng)很可能發(fā)生在早期地球的湖泊或小水池中，而不是廣闊的海洋中。這為科學(xué)家尋找生命起源的“搖籃”提供了更具體的方向和化學(xué)依據(jù)。
長期以來，生命起源研究中存在“RNA世界”和“硫酯世界”兩大主流理論。“RNA世界”理論認(rèn)為自我復(fù)制的RNA是生命的基礎(chǔ)，而“硫酯世界”理論提出硫酯是早期生命形式的能量來源。此次研究團(tuán)隊(duì)巧妙融合這兩個(gè)理論，利用硫酯作為激活氨基酸的動(dòng)力源，最終實(shí)現(xiàn)與RNA的連接。這表明生命的起源可能并非只有一個(gè)單一的“起點(diǎn)”，而是新陳代謝系統(tǒng)與遺傳系統(tǒng)從一開始就通過簡單的化學(xué)反應(yīng)協(xié)同演化而成。
不僅如此，這一成果還有助于縮小化學(xué)進(jìn)化與生物進(jìn)化之間的鴻溝。生命起源研究的一個(gè)核心挑戰(zhàn)，是解釋如何從無生命的化學(xué)物質(zhì)過渡到有生命的生物系統(tǒng)。RNA與氨基酸在簡單條件下的自發(fā)連接，為這一過渡過程提供了合理的化學(xué)基礎(chǔ)。此外，這一發(fā)現(xiàn)對地外生命的存在可能性也提供了新的思考角度。如果RNA與氨基酸的連接在早期地球條件下能夠自發(fā)進(jìn)行，那么在類似條件下的其他星球上，也可能發(fā)生類似的化學(xué)過程。
理解生命本質(zhì)，有助于防控治療疾病
蛋白質(zhì)合成和核糖體的橫截面示意圖
盡管取得了突破，科學(xué)家們?nèi)匀幻媾R許多挑戰(zhàn)。下一步，研究團(tuán)隊(duì)將探究RNA序列如何優(yōu)先結(jié)合特定氨基酸，從而啟動(dòng)編碼蛋白質(zhì)合成的指令——這是遺傳密碼的起源。掌握這種溫和可控的“RNA—蛋白質(zhì)”化學(xué)連接機(jī)制，未來或可應(yīng)用于人工生命系統(tǒng)構(gòu)建、原位蛋白質(zhì)合成以及新型藥物精準(zhǔn)遞送等領(lǐng)域。
需要指出的是，該發(fā)現(xiàn)尚未完全揭示生命起源的所有奧秘，RNA如何“學(xué)會(huì)”自我復(fù)制？首個(gè)能合成蛋白質(zhì)的RNA是怎么來的？等等。對于這些問題，科學(xué)界仍需進(jìn)一步探索。除蛋白質(zhì)合成外，生命活動(dòng)還需要細(xì)胞膜、代謝系統(tǒng)等組件的協(xié)同工作。科學(xué)家們將嘗試構(gòu)建能夠自我復(fù)制、自我維持的原始細(xì)胞系統(tǒng)，以更全面地理解生命起源。
基于倫敦大學(xué)學(xué)院團(tuán)隊(duì)的研究成果，我們可以進(jìn)一步推想：經(jīng)過40億年的進(jìn)化，生命體細(xì)胞的化學(xué)微環(huán)境可能仍是維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的重要機(jī)制。細(xì)胞內(nèi)化學(xué)微環(huán)境的失衡，或許正是導(dǎo)致分子互作異常、代謝紊亂及功能結(jié)構(gòu)病變的重要因素。這一視角啟示我們，深入研究細(xì)胞化學(xué)微環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，研發(fā)精準(zhǔn)調(diào)控技術(shù)，可以為疾病防控提供新策略。
蛋白質(zhì)作為生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，其合成機(jī)制的揭示對于理解生命本質(zhì)至關(guān)重要。生命起源研究作為科學(xué)探索的前沿領(lǐng)域，將持續(xù)吸引全球科學(xué)家的關(guān)注和投入。比如，谷歌Deepmind等多家機(jī)構(gòu)采用AI驅(qū)動(dòng)的從頭蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)，從零開始設(shè)計(jì)自然界不存在的蛋白質(zhì)，創(chuàng)造新型酶、生物傳感器、治療蛋白等，為治療癌癥、自身免疫疾病等提供新思路。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步和多學(xué)科交叉融合的深入，我們有理由相信，生命起源這一終極科學(xué)問題將在未來得到更加清晰的解答。
（作者叢斌為九三學(xué)社中央副主席、中國工程院院士）
