叢 斌

蛋白質(zhì)合成示意圖。

蛋白質(zhì)合成和核糖體的橫截面示意圖。 以上圖片均為資料圖片

你是否曾想過，40億年前的地球宛如一座“煉獄”——火山噴涌，海洋沸騰，沒有氧氣。在萬物混沌之中，生命的種子究竟是如何萌發(fā)的？近日，英國倫敦大學學院的馬修·波納研究團隊在《自然》雜志上發(fā)表了一項突破性研究成果。他們通過模擬早期地球環(huán)境條件，首次成功實現(xiàn)了RNA(即核糖核酸，存在于生物細胞、某些病毒及類病毒中的遺傳信息載體)與氨基酸在無酶條件下的化學連接。自20世紀70年代以來，這一難題一直困擾著科學界，而該成果為解答生命起源中“蛋白質(zhì)如何合成”的關(guān)鍵問題提供了全新思路。

分子如何邁出通向生命的第一步

生命起源與演化研究是全球科學家持續(xù)探索的重大課題，呈現(xiàn)出多學科交叉融合的特點。

在環(huán)境條件領(lǐng)域，科學界主要存在兩種假說，一種是深海熱液生命起源假說，認為熱液噴口富含的礦物可為早期化學反應(yīng)提供能量與催化條件；另一種是陸地熱泉環(huán)境假說。2024年11月，由中國科學家領(lǐng)銜的國際團隊發(fā)現(xiàn)了在地球最早期陸地熱泉式的環(huán)境中，鐵硫化物可通過光熱催化作用還原二氧化碳，產(chǎn)生甲醇，從而為地球生命起源的關(guān)鍵代謝途徑提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

在分子進化領(lǐng)域，相關(guān)研究多聚焦RNA、蛋白質(zhì)和脂類等生物大分子的自組裝與功能演化，以及“原始細胞”的形成、遺傳密碼的起源與演化等。

此外，科學家還通過模擬早期地球條件，綜合運用化學、生物學、地質(zhì)學等多學科知識，嘗試在實驗室環(huán)境中重現(xiàn)生命起源的關(guān)鍵步驟。天體生物學研究也將生命起源的探索延伸至對地外樣本(如隕石、火星土壤等)的分析，以更好理解地球生命起源，同時為尋找地外生命提供思路方法。

此次倫敦大學學院團隊的成果就屬于分子進化研究范疇。“要完全闡明生命起源，我們?nèi)孕杞鉀Q諸多問題，而其中最具挑戰(zhàn)性也最令人興奮的，仍是蛋白質(zhì)合成的起源問題?！辈{表示。

我們知道，氨基酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本單元，而RNA則負責傳遞遺傳信息并控制蛋白質(zhì)的合成。了解RNA如何與氨基酸結(jié)合，對于理解生命起源和蛋白質(zhì)合成機制具有關(guān)鍵意義。在現(xiàn)有生命體中，RNA與氨基酸的連接需要專門的酶(合成酶)來催化，而這些酶本身又是蛋白質(zhì)，其合成信息存儲在核酸中，需要由核糖體(RNA是其核心成分)來翻譯合成。這就產(chǎn)生了一個“先有雞還是先有蛋”的經(jīng)典悖論：沒有核酸，就無法編碼合成蛋白質(zhì)；但沒有蛋白質(zhì)(酶)，核酸的復(fù)制和翻譯又無法進行。倫敦大學學院團隊的研究證明，在生命出現(xiàn)之前，無需復(fù)雜的酶，RNA和氨基酸就可以在早期地球環(huán)境下自發(fā)連接。這一發(fā)現(xiàn)為“分子如何邁出通向生命的第一步”提供了新的關(guān)鍵線索。

融合“RNA世界”和“硫酯世界”兩大生命起源理論

近半個世紀以來，科學家們一直在探索RNA與氨基酸在無酶條件下的連接機制，但始終未能成功。以往，科學家嘗試讓氨基酸與RNA結(jié)合時，使用的是高活性分子，但這些分子在水中易分解，還會導(dǎo)致氨基酸相互反應(yīng)，而不是與RNA結(jié)合。

倫敦大學學院團隊采用了一種更溫和的方法——用硫酯(一種高能化合物)來激活氨基酸。硫酯是很多生物化學反應(yīng)中的關(guān)鍵化合物。研究人員發(fā)現(xiàn)，氨基酸與一種叫做“泛硫乙胺”的含硫化合物反應(yīng)后，就能變成硫酯形式去激活氨基酸。把這些激活的氨基酸放進模擬早期地球環(huán)境的中性水中，氨基酸就能連接到RNA上。這一反應(yīng)不僅自發(fā)發(fā)生，還具有高度的選擇性，即將氨基酸精準地連接到RNA分子的特定部位，這種選擇性避免了氨基酸之間的隨意反應(yīng)。這在生命起源過程中至關(guān)重要，因為隨意拼接出的亂序短肽(介于氨基酸和蛋白質(zhì)之間的物質(zhì))基本不可能具備穩(wěn)定功能。由于這些反應(yīng)的規(guī)模極小，無法通過光學顯微鏡觀察，研究團隊通過多種分子結(jié)構(gòu)探測技術(shù)對其進行追蹤，包括顯示原子排列方式的磁共振成像技術(shù)和測定分子大小的質(zhì)譜分析技術(shù)。

研究團隊認為，由于海洋中的化學物質(zhì)濃度可能過低，而被稀釋的環(huán)境不利于這種化學反應(yīng)的發(fā)生，該反應(yīng)很可能發(fā)生在早期地球的湖泊或小水池中，而不是廣闊的海洋中。這為科學家尋找生命起源的“搖籃”提供了更具體的方向和化學依據(jù)。

長期以來，生命起源研究中存在“RNA世界”和“硫酯世界”兩大主流理論?！癛NA世界”理論認為自我復(fù)制的RNA是生命的基礎(chǔ)，而“硫酯世界”理論提出硫酯是早期生命形式的能量來源。此次研究團隊巧妙融合這兩個理論，利用硫酯作為激活氨基酸的動力源，最終實現(xiàn)與RNA的連接。這表明生命的起源可能并非只有一個單一的“起點”，而是新陳代謝系統(tǒng)與遺傳系統(tǒng)從一開始就通過簡單的化學反應(yīng)協(xié)同演化而成。

不僅如此，這一成果還有助于縮小化學進化與生物進化之間的鴻溝。生命起源研究的一個核心挑戰(zhàn)，是解釋如何從無生命的化學物質(zhì)過渡到有生命的生物系統(tǒng)。RNA與氨基酸在簡單條件下的自發(fā)連接，為這一過渡過程提供了合理的化學基礎(chǔ)。此外，這一發(fā)現(xiàn)對地外生命的存在可能性也提供了新的思考角度。如果RNA與氨基酸的連接在早期地球條件下能夠自發(fā)進行，那么在類似條件下的其他星球上，也可能發(fā)生類似的化學過程。

理解生命本質(zhì)，有助于防控治療疾病

盡管取得了突破，科學家們?nèi)匀幻媾R許多挑戰(zhàn)。下一步，研究團隊將探究RNA序列如何優(yōu)先結(jié)合特定氨基酸，從而啟動編碼蛋白質(zhì)合成的指令——這是遺傳密碼的起源。掌握這種溫和可控的“RNA—蛋白質(zhì)”化學連接機制，未來或可應(yīng)用于人工生命系統(tǒng)構(gòu)建、原位蛋白質(zhì)合成以及新型藥物精準遞送等領(lǐng)域。

需要指出的是，該發(fā)現(xiàn)尚未完全揭示生命起源的所有奧秘，RNA如何“學會”自我復(fù)制？首個能合成蛋白質(zhì)的RNA是怎么來的？等等。對于這些問題，科學界仍需進一步探索。除蛋白質(zhì)合成外，生命活動還需要細胞膜、代謝系統(tǒng)等組件的協(xié)同工作?？茖W家們將嘗試構(gòu)建能夠自我復(fù)制、自我維持的原始細胞系統(tǒng)，以更全面地理解生命起源。

基于倫敦大學學院團隊的研究成果，我們可以進一步推想：經(jīng)過40億年的進化，生命體細胞的化學微環(huán)境可能仍是維持細胞穩(wěn)態(tài)的重要機制。細胞內(nèi)化學微環(huán)境的失衡，或許正是導(dǎo)致分子互作異常、代謝紊亂及功能結(jié)構(gòu)病變的重要因素。這一視角啟示我們，深入研究細胞化學微環(huán)境的動態(tài)變化規(guī)律，研發(fā)精準調(diào)控技術(shù)，可以為疾病防控提供新策略。

蛋白質(zhì)作為生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，其合成機制的揭示對于理解生命本質(zhì)至關(guān)重要。生命起源研究作為科學探索的前沿領(lǐng)域，將持續(xù)吸引全球科學家的關(guān)注和投入。比如，谷歌Deepmind等多家機構(gòu)采用AI驅(qū)動的從頭蛋白質(zhì)設(shè)計，從零開始設(shè)計自然界不存在的蛋白質(zhì)，創(chuàng)造新型酶、生物傳感器、治療蛋白等，為治療癌癥、自身免疫疾病等提供新思路。隨著實驗技術(shù)的進步和多學科交叉融合的深入，我們有理由相信，生命起源這一終極科學問題將在未來得到更加清晰的解答。

(作者為中國工程院院士、九三學社中央副主席、醫(yī)學領(lǐng)域?qū)＜?

《 人民日報 》( 2025年09月26日 16 版)