氨基酸分子模型。
大约37亿年前，最早出现在地球上的蛋白质是什么样子的?近日，以色列魏茨曼科学研究所和耶路撒冷希伯来大学的科学家在《美国国家科学院院刊》发表论文称，他们重建了与现代蛋白质的祖先非常相似的蛋白质序列，并且这些原始蛋白质可能已经能够形成活细胞。
蛋白质是活细胞的重要组成成分，科学家们一直认为最早的蛋白质出现在细胞和生命之前。现代蛋白质由20种不同的氨基酸组成，这些氨基酸会以聚合物的形式排列成长链状分子，每个氨基酸的位置对蛋白质的功能都至关重要。然而，制造蛋白质所需的氨基酸本身是由酶（也是一种蛋白质）产生的，那么最早的蛋白质是如何产生的？到底是先有“鸡”还是先有“蛋”？
科学家们认为，最早的蛋白质是由被称为“多肽”的蛋白质短片段形成的。这些多肽可能是原始“化学汤”中自发形成的氨基酸的黏性集合。随着时间推移，多肽也会彼此结合，产生具有某种作用的蛋白质。
早在1952年，Miller和Urey就证明了氨基酸的自发形成。这表明氨基酸是先于酶形成的，也就是先于“鸡”出现的“蛋”。
魏茨曼科学研究所生物分子科学系的Dan Tawfik教授说：“这一切看起来都很正确，但是有一种至关重要的氨基酸在Miller-Urey实验中以及随后的实验中都缺失了——带正电荷的精氨酸和赖氨酸。”
这些氨基酸对现代蛋白质特别重要，因为它们能够与携带净负电荷的DNA和RNA相互作用。RNA是既能携带遗传信息又能自我复制的原始分子，因此从理论上讲，与带正电荷的氨基酸接触对于活细胞的进一步发展来说是必要的。
但是Miller-Urey实验中也存在一种带正电荷的氨基酸——鸟氨酸，它是精氨酸形成过程中的中间产物。那么，鸟氨酸是原始蛋白质中缺失的氨基酸吗？
为了回答这个问题，科学家们设计了一个原始的实验。
首先，他们从一个能够与DNA和RNA结合的简单蛋白质开始，运用系统方法推断了原始蛋白质的序列。结果发现，这种蛋白质富含正电荷：64个氨基酸中有14个是精氨酸或赖氨酸。
接下来，他们用鸟氨酸取代了这些氨基酸作为正电荷载体，创造了一种新的合成蛋白质。结果发现，以鸟氨酸为基础的蛋白质虽然能够与DNA结合，但强度不高。同时，研究人员还发现简单的化学反应就能将鸟氨酸转化为精氨酸。这些化学反应发生的条件在第一批蛋白质出现时的条件类似。随着越来越多的鸟氨酸转化为精氨酸，蛋白质变得越来越像现代蛋白质，并以更强和更具选择性的方式与DNA结合。
科学家们还发现，在有RNA的情况下，原始短肽会出现相分离现象，导致自我组装和“区块化”。Tawfik说，这表明这些蛋白质和RNA可以形成原始细胞，真正的活细胞可能就是从原始细胞进化而来的。
编译：花花 审稿：西莫 责编：雷鑫宇
期刊来源：《美国国家科学院院刊》
期刊编号：0027-8424
原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2020/06/200622095023.htm
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