科学家重现生命起源第一步：将氨基酸与RNA连接

氨基酸是蛋白质的基石，而蛋白质是生命的"主力军"，对几乎所有生命过程都至关重要。但蛋白质无法自我复制或自我生产——它们需要指令。这些指令由RNA（核糖核酸）提供，它是DNA（脱氧核糖核酸）的近亲化学物质。

在发表于《自然》期刊的一项新研究中，研究人员在可能存在于早期地球的条件下，成功将生命的氨基酸与RNA进行了化学连接——这是自20世纪70年代初以来科学家们一直未能实现的成就。

资深作者、伦敦大学学院化学系马修·波纳教授表示："生命依赖于合成蛋白质的能力——它们是生命的关键功能分子。理解蛋白质合成的起源对于理解生命的起源至关重要。

"我们的研究朝着这一目标迈出了一大步，展示了RNA可能如何首次控制蛋白质合成。

"当今生命使用极其复杂的分子机器——核糖体——来合成蛋白质。该机器需要信使RNA中编写的化学指令，信使RNA将基因序列从细胞的DNA携带至核糖体。随后，核糖体如同工厂的装配线，读取该RNA并将氨基酸逐一连接起来形成蛋白质。

"我们已实现这一复杂过程的第一部分，在中性pH值的水中使用非常简单的化学方法将氨基酸连接到RNA上。该化学反应是自发的、选择性的，并且可能在早期地球上发生。"

以往尝试将氨基酸连接到RNA的方法使用了高活性分子，但这些分子在水中会分解，并导致氨基酸相互反应，而不是与RNA连接。

在这项新研究中，研究人员从生物学中汲取灵感，采用更温和的方法将生命的氨基酸转化为活性形式。这种活化涉及硫酯——一种在许多生命生化过程中具有重要性的高能化合物，并且已被理论推测在生命起源时发挥了作用*。

波纳教授表示："我们的研究融合了两种著名的生命起源理论——'RNA世界'假说（提出自我复制的RNA是基础）和'硫酯世界'假说（认为硫酯是最早生命形式的能量来源）。"

为形成这些硫酯，氨基酸与一种名为泛酰巯基乙胺的含硫化合物发生反应。去年，同一团队发表论文证明泛酰巯基乙胺可在类似早期地球的条件下合成，表明它很可能在生命起源中发挥了作用。

研究人员表示，下一步是确定RNA序列如何优先结合特定氨基酸，从而使RNA能够开始编码蛋白质合成的指令——这就是遗传密码的起源。

波纳教授说："在完全阐明生命起源之前，我们还有许多问题需要克服，但最具挑战性和最令人兴奋的仍然是蛋白质合成的起源。"

来自伦敦大学学院化学系的通讯作者乔蒂·辛格博士表示："想象一下，有一天化学家可能会使用由碳、氮、氢、氧和硫原子组成的简单小分子，并利用这些乐高积木拼装出能够自我复制的分子。这将是解决生命起源问题的里程碑式的一步。

"我们的研究使我们更接近这一目标，它展示了两种原始化学乐高积木（活化氨基酸和RNA）如何能够构建肽**——即对生命至关重要的短链氨基酸。

"特别具有开创性的是，本研究中使用的活化氨基酸是一种硫酯，这是一种由辅酶A（存在于所有活细胞中的化学物质）构成的分子。这一发现可能潜在地将新陈代谢、遗传密码和蛋白质构建联系起来。"

虽然该论文仅聚焦于化学过程，但研究团队表示，他们所展示的反应有可能在早期地球的水池或湖泊中发生（但不太可能在海洋中，因为化学物质的浓度可能过于稀释）。

这些反应过于微小，无法用可见光显微镜观察，因此使用了一系列探测分子结构的技术进行追踪，包括多种类型的磁共振成像（显示原子如何排列）和质谱分析（显示分子大小）。

注释

*诺贝尔奖得主克里斯汀·德·杜维提出生命始于"硫酯世界"——一种"新陈代谢优先"理论，设想生命是由硫酯能量驱动的化学反应启动的。

** 肽通常由2至50个氨基酸组成，而蛋白质更大，通常包含数百甚至数千个氨基酸，并被折叠成三维形状。作为研究的一部分，研究团队展示了氨基酸一旦加载到RNA上，如何能与其他氨基酸合成形成肽。

该工作由工程与物理科学研究理事会（EPSRC）、西蒙斯基金会和皇家学会资助。