特異的HhH2折疊可與(yu) 現代DNA分子的小溝結合。這種構造最早是如何形成的？（圖片來源：魏茨曼科學院）

最早的蛋白質長什麽(me) 樣，是約37億(yi) 年前出現在地球上的嗎？以色列魏茨曼科學院（Weizmann Institute of Science）的Dan Tawfik教授和耶路撒冷希伯來大學（Hebrew University of Jerusalem）的Norman Metanis教授重構了與(yu) 現代蛋白質祖先高度相似的蛋白序列，該研究揭示了一種原始蛋白發展成為(wei) 生命的方式。他們(men) 的成果被發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。

細胞中遺傳(chuan) 物質編碼的蛋白質是活細胞運轉所需的螺絲(si) 、彈簧和齒輪。但我們(men) 假設，第一種蛋白質出現於(yu) 細胞以及我們(men) 所知的生命以前。現代蛋白質由二十種不同的氨基酸組成，所有這些氨基酸對蛋白質的構建都是不可或缺的，它們(men) 以多聚體(ti) 的形式排列成鏈狀的長分子，其中每個(ge) 位置的氨基酸都對蛋白質的功能有著至關(guan) 重要的作用。但在構想最早的蛋白質是如何出現的時候，有一個(ge) 悖論。因為(wei) 構築蛋白質的氨基酸也是由另一種叫酶的蛋白質製造的。這是一個(ge) 類似於(yu) “先有雞還是先有蛋”的問題，目前也隻有部分答案。

科學家認為(wei) 最早的真正蛋白質是由更短的蛋白質片段“肽”形成的。這些肽可能是原始化學湯自然產(chan) 生的氨基酸的粘性組合，短肽之間又相互結合，隨著時間積累，一個(ge) 具備某種活性的蛋白質就誕生了。氨基酸的自然發生早在1952年就被證實，在著名的米勒-尤列實驗（Miller-Urey experiment）中, 他們(men) 重現出地球上生命誕生前被認為(wei) 存在的條件，並加入一些類似閃電或火山的能量。實驗顯示氨基酸可以在一定條件下，不依靠酶或生物體(ti) 中的任何其他機製而形成，說明氨基酸這樣的“蛋”是先於(yu) 酶這樣的“雞”出現的。

魏茨曼科學院分子生物學係的Tawfik表示，一切都很好，“但有一類重要的氨基酸在米勒-尤列實驗和相關(guan) 後續實驗中都找不到——精氨酸和賴氨酸之類的帶正電荷氨基酸。”這些氨基酸對現代蛋白質尤為(wei) 重要，因為(wei) 它們(men) 可以與(yu) 帶負電荷的DNA和RNA相互作用。RNA如今被認為(wei) 是一種既能攜帶信息又能自我複製的原始分子，所以理論上來說，與(yu) 帶正電的氨基酸接觸是將來發育為(wei) 活細胞的必經之路。

但米勒-尤列實驗中出現了一種帶正電的氨基酸，這種叫鳥氨酸的氨基酸如今在精氨酸合成的中間步驟被發現，但其本身並不用於(yu) 構建蛋白質。該研究團隊便提出問題：如果鳥氨酸是這些原始蛋白質中缺失的氨基酸呢？他們(men) 設計了一個(ge) 原創實驗來檢驗這種假設。

這群科學家從(cong) 能與(yu) DNA和RNA結合的家族中一種相對簡單的蛋白質入手，應用係統發育方法來推斷其祖先蛋白質的序列。這種蛋白質富含正電荷，其64個(ge) 氨基酸中有14個(ge) 是精氨酸或賴氨酸。隨後，他們(men) 造出一種合成蛋白質，其中帶正電荷的氨基酸被鳥氨酸替換。

這種基於(yu) 鳥氨酸的蛋白質可與(yu) DNA微弱地結合。然而在Metanis的實驗室中，研究人員發現一些簡單的化學反應可將鳥氨酸轉化為(wei) 精氨酸，而這些化學反應能在最早蛋白質誕生時設想的地球條件下發生。隨著越來越多的鳥氨酸轉化為(wei) 精氨酸，這些蛋白質變得越來越像現代蛋白質，並以一種更強、更有選擇性的方式與(yu) DNA結合。

科學家們(men) 還發現，當RNA存在時，這種古老形式的肽會(hui) 發生相分離（就像水中的油滴出現油水分離一樣），這個(ge) 過程會(hui) 導致自組裝和分離。Tawfik對此認為(wei) ，這樣的蛋白質和RNA在一起可以形成細胞的原型，而真正的活細胞可能就是由此進化而來。

翻譯：盧大山

審校：巢栩嘉

引進來源：以色列魏茨曼科學院

引進鏈接：https://phys.org/news/2020-06-reconstructing-primordial-proteins-long-standing-riddle.html


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