科学 2024-05-01 16:39

Molecular cooperation at the threshold of life

被称为淀粉样蛋白的蛋白质样聚集体可以与遗传物质的分子结合。有可能这两种分子在生命的发展过程中相互稳定,这甚至可能为遗传密码铺平了道路。

生物是如何从无生命的物质进化而来的是科学上最大的问题之一。尽管提出了许多可能的解释,但没有一个确定的答案。这并不奇怪:这些过程发生在30亿到40亿年前,当时地球上的条件与今天完全不同。

用实验数据证明假设

“在这段漫长的时间里,进化已经彻底抹去了通向生命起源的痕迹,”苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)新成立的生命起源与流行跨学科中心的物理化学教授兼副主任罗兰·里克(Roland Riek)说。科学没有别的选择,只能提出假设,并用实验数据尽可能彻底地证实这些假设。

多年来,Riek和他的团队一直在研究一个想法,即被称为淀粉样蛋白的蛋白质样聚集体可能在化学和生物学之间的过渡中发挥了重要作用。

Riek的研究小组的第一步是证明这种淀粉样蛋白可以在早期地球可能存在的条件下相对容易地形成:在实验室中,只需要一点火山气体(以及实验技巧和很大的耐心),简单的氨基酸就可以结合成短肽链,然后自发地组装成纤维。

生命的前体分子

后来,Riek的团队证明了淀粉样蛋白可以自我复制——这意味着这些分子满足了被认为是生命前体分子的另一个决定性标准。现在,研究人员在他们的最新研究中第三次采用了同样的方法,他们在研究中表明,淀粉样蛋白能够与RNA和DNA分子结合。

这些相互作用部分是基于静电吸引,因为一些淀粉样蛋白至少在某些地方带正电荷,而遗传物质至少在中性到酸性的环境中带负电荷。然而,Riek和他的团队也注意到,这种相互作用也取决于遗传物质中RNA和DNA核苷酸的序列。这意味着它们可能代表了一种统一所有生物的通用遗传密码的前身。

增加稳定性作为主要优势

然而,“尽管我们看到了RNA和DNA分子与淀粉样蛋白结合方式的差异,但我们还不明白这些差异意味着什么,”Riek说。“我们的模式可能还是太简单了。”这就是为什么他认为结果的另一个方面特别重要:当遗传物质附着在淀粉样蛋白上时,两个分子都获得了稳定性。在古代,这种增加的稳定性可能被证明是一个很大的优势。

这是因为当时,在所谓的原始汤中,生化分子非常稀释。与今天的生物细胞相比,这些分子紧密地聚集在一起。Riek的研究人员在发表在《美国化学学会杂志》上的文章中写道:“淀粉样蛋白已被证明有可能在原本被稀释的无序系统中增加核苷酸的局部浓度和顺序。”

Riek指出,虽然竞争是达尔文进化论的核心,但合作在进化中也扮演了重要的角色。这两类分子都受益于淀粉样蛋白与RNA或DNA分子之间稳定的相互作用,因为长寿命的分子比不稳定的物质积累得更久。甚至可能是分子间的合作,而不是竞争,才是生命出现的决定性因素。

“毕竟,当时可能并不缺乏空间或资源,”Riek说。