科学家发现生命构成要素的起源:最初的蛋白质长啥样?

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科学家发现生命构成要素的起源:最初的蛋白质长啥样?
麻省理工科技评论 2020-03-19

2020-03-19

生命起源最初的蛋白质究竟什么样?
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生命起源最初的蛋白质究竟什么样?

地球上的生命来自哪里?这是全人类都在一直探索的共同问题。

早在 2018 年,美国罗格斯大学的研究人员就发现,对细胞、生命的基本组成和功能至关重要的蛋白酶,很早就已经存在,甚至设计合成了一种蛋白质模型。但生命起源最初的蛋白质究竟什么样?依然不清楚。

科学家发现生命构成要素的起源:最初的蛋白质长啥样?

图 | 研究人员设计了一种合成的小蛋白质,该蛋白质包裹在由铁和硫组成的金属核心周围,这种蛋白质可以反复充电和放电,使其在细胞内传输电子,这种肽可能在生命出现早期就已经存在了,在早期的新陈代谢周期中移动电子。(来源:Vikas Nanda,美国罗格斯大学)

人类的 DNA 由编码长几百到几千个氨基酸的蛋白质的基因组成,这些复杂的蛋白质是数十亿年演化的结果。研究认为,生命刚刚开始时的蛋白质结构可能要简单得多,也许只有 10 到 20 个氨基酸长。

生命起源最初的蛋白质究竟是什么样的?这一次,美国罗格斯大学的科研人员发现了它。

3 月 16 日,据新闻网站 Phys.org 报道,罗格斯大学的研究人员发现了负责新陈代谢的蛋白质结构的起源:一种简单分子,它为地球早期生命提供能量,并可以作为美国国家航空航天局(NASA)用来寻找其他星球上的生命的化学信号。他们的研究预测了 35 亿至 25 亿年前最初蛋白质的结构,这一成果已经发表在《美国国家科学院院刊》上。

科学家发现生命构成要素的起源:最初的蛋白质长啥样?

图 | 具备这种折叠结构的蛋白质,可能是新陈代谢演化中最早的蛋白质之一(来源:Vikas Nanda,美国罗格斯大学)

就像完成一个有千百块碎片的拼图一样,科学家追溯了酶(蛋白质)从现在到遥远过去的演变。要完成这个拼图需要找到两个缺失的碎片,如果没有它们,地球上的生命就不可能存在。通过构建一个由它们在新陈代谢中的作用连接起来的网络,这个团队发现了缺失的碎片。

罗格斯大学罗伯特伍德约翰逊医学院(Robert Wood Johnson Medical School)生物化学和分子生物学教授 Vikas Nanda 表示,“我们对地球生命的起源知之甚少,这项工作让我们能在更大时间跨度内寻找并提出最早的代谢蛋白。”

此外,Vikas Nanda 还谈到,“我们将在实验室进行测试,以更好地了解地球上生命的起源,并告知生命可能如何起源于其他地方。我们正在实验室中建立蛋白质模型,并测试它们是否能引发对早期代谢至关重要的反应。”

据了解,由罗格斯大学牵头的一个名为 ENIGMA 的科学家小组正在 NASA 的资助下,以 NASA 天体生物学计划成员的身份进行这项研究。ENIGMA 项目试图揭示催化生命早期阶段的最简单蛋白质的作用。

“我们认为,就像乐高积木一样,生命由非常小的‘积木’ 来制造简单细胞和像我们这样更复杂的生命体,” ENIGMA 首席研究员、罗格斯大学新布伦瑞克分校著名教授 Paul G. Falkowski 说,“我们认为我们已经找到了这个生命的积木——导致细胞、动物和植物进化的乐高积木。”

这个罗格斯大学研究小组重点研究了两个蛋白质 “折叠”,它们很可能是早期新陈代谢中的第一个结构。它们是铁氧化还原蛋白折叠(ferredoxin fold)和罗斯曼折叠(Rossmann fold),前者结合铁 - 硫化合物,后者常见于核苷酸结合蛋白质,特别是辅因子 NAD 结合蛋白。这是生命进化中必不可少的两块 “积木”。

蛋白质折叠是蛋白质获得其功能性结构和构象的过程。通过这一物理过程,蛋白质从无规则卷曲折叠成特定的功能性三维结构。Ferredoxin 是在现代蛋白质中发现的金属,通过使得机体内的电子来回穿梭来促进新陈代谢,电子流经固体、液体和气体,并为生命系统提供动力。同样的电动力必须存在于任何其他有可能支持生命的行星系统中。

有证据表明,这两个蛋白质折叠可能有一个共同的祖先,如果是真的,它可能是生命的第一个代谢酶。

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