大风号

简化蛋白质揭示早期地球生化起源

天文online

05-15 22:28 来自北京

🌌 前生命密码

简化蛋白质助力地球早期生化探索

当化学汤开始折叠——揭开生命诞生的第一道三维褶皱

在支持性环境中蛋白质折叠的示例。来源——K. Seya等人。

当研究人员仰望天空，想知道我们是否并非孤独时，他们也意识到地球生命的起源可能是找到答案的关键。早期地球混乱的化学汤最终孕育出了现代生命惊人的复杂性，但这一切究竟是如何开始的呢？蛋白质是早期生命的关键成分之一，但我们仍在探索这些现代生物学奇迹最初是如何折叠、发挥功能并存活下来的。近期发表在《化学趋势》上的一篇题为《可折叠性的边缘地带：来自简化蛋白质的启示》的综述论文，展示了科学家们如何通过研究简化蛋白质来尝试回答这个问题。

现代蛋白质的复杂性众所周知。每个蛋白质都由20种不同氨基酸中的某种组合构成。但早期地球不太可能拥有所有这20种蛋白质的组成成分。早期的肽可能是短链、简单的，且仅由那些要么在环境中自然生成，要么由具有非常原始代谢的生命产生的氨基酸组成。诚然，我们无法确切挖掘出早期蛋白质或氨基酸的古老化石来证明这一点，但这似乎是一个合理的假设。

为了模拟这种简化环境，科学家们通过使用仅含7到14种氨基酸的限制性字母表重建蛋白质，进行他们所谓的字母简化操作。而他们用如此有限的工具构建出的成果仍然令人惊叹。科学家们已经构建出能够成功折叠成三维结构的蛋白质，同时完全排除了诸如简单氨基酸或芳香族氨基酸等整类复杂构建块。

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这证明，生命形成所需的蛋白质核心结构需要的信息少得惊人。前生命时期的氨基酸字母表（约10种氨基酸）就足以推动更复杂生命形式的发展。这一领域最著名的观点之一由Richard Eck和Margaret Dayhoff提出，他们假设古代对称蛋白质是由短而简单的肽段复制融合形成的。现代科学在实践中已大致证实了这一观点，科学家们观察到一组组简单肽段会同源寡聚化——本质上像乐高积木一样拼接在一起，形成对称且功能完整的蛋白质。

但在早期地球上，这些蛋白质不会在真空中形成。环境本身可能在支持它们形成方面发挥了积极作用。尽管早期地球环境恶劣，但它实际上就像脚手架一样，帮助支撑那些自身仅勉强稳定的早期简单蛋白质。有几个因素起到了作用，包括高盐度海洋——那里的高盐浓度会对蛋白质稳定性产生外部影响，比如通过电荷屏蔽迫使蛋白质折叠。

另一个潜在的环境因素是多胺和双阳离子（即带有2电荷的原子，如镁）这类化合物的存在，它们可能起到了分子胶的作用。最后，凝聚层内部的拥挤环境——即在细胞膜形成前将早期生命与环境分隔开的浓缩化学液滴——可能促进了肽折叠和寡聚化，而这些过程在更孤立的环境中是无法进行的。

🔮 但或许最近这个研究领域最令人兴奋的部分是AI的引入。AlphaFold是一个强大的AI工具，能够预测蛋白质结构并分析其折叠过程。但从太空研究的角度来看更重要的是，这些蛋白质库的大型语言模型让我们能够模拟几十亿年前地球上可能发生的事情，以及土卫二或木卫二上正在发生的事情。

从一个只有化学汤的无生命世界到我们今天拥有的充满生机、呼吸的生物圈，这一步跨度似乎巨大。但就像生活中大多数其他事物一样，它是一步步形成的。早期的益生元蛋白质折叠是这些关键步骤之一，研究它们如何折叠将是理解这一链条环节的关键。依赖于在恶劣环境下存在的有限几种丰富化学物质的简单重复化学片段，这似乎是一个艰难的起点。但这似乎正是我们的起点——在我们探索宇宙中其他早期生命历程时，记住这一点是个好主意。

ELSI——生命早期蛋白质的隐藏语言

K. Seya等人——折叠性的边界地带：来自简化蛋白质的启示

UT——科学家在贝努小行星上有了一项改变游戏规则的发现

UT——地球上所有生命都由相同的20种氨基酸构成。科学家如今认为他们知道其中的原因。