科學家首次重現40億年前RNA與氨基酸的“第一次連接”

原標題：科學家重現約40億年前RNA與氨基酸的“第一次連接”——

蛋白質合成，探索生命起源之謎（國際科技前沿）

蛋白質合成示意圖。

蛋白質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”——火山噴湧，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的？近日，英國倫敦大學學院的馬修·波納研究團隊在《自然》雜誌上發表了一項突破性研究成果。他們通過模擬早期地球環境條件，首次成功實現了RNA（即核糖核酸，存在於生物細胞、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，這一難題一直困擾着科學界，而該成果為解答生命起源中“蛋白質如何合成”的關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探索的重大課題，呈現出多學科交叉融合的特點。

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

在分子進化領域，相關研究多聚焦RNA、蛋白質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、地質學等多學科知識，嘗試在實驗室環境中重現生命起源的關鍵步驟。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於分子進化研究範疇。“要完全闡明生命起源，我們仍需解決諸多問題，而其中最具挑戰性也最令人興奮的，仍是蛋白質合成的起源問題。”波納表示。

我們知道，氨基酸是構成蛋白質的基本單元，而RNA則負責傳遞遺傳信息並控制蛋白質的合成。瞭解RNA如何與氨基酸結合，對於理解生命起源和蛋白質合成機制具有關鍵意義。在現有生命體中，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，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。這就產生了一個“先有雞還是先有蛋”的經典悖論：沒有核酸，就無法編碼合成蛋白質；但沒有蛋白質（酶），核酸的複製和翻譯又無法進行。倫敦大學學院團隊的研究證明，在生命出現之前，無需複雜的酶，RNA和氨基酸就可以在早期地球環境下自發連接。這一發現為“分子如何邁出通向生命的第一步”提供了新的關鍵線索。

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，還會導致氨基酸相互反應，而不是與RNA結合。

倫敦大學學院團隊採用了一種更温和的方法——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中的關鍵化合物。研究人員發現，氨基酸與一種叫做“泛硫乙胺”的含硫化合物反應後，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境的中性水中，氨基酸就能連接到RNA上。這一反應不僅自發發生，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。這在生命起源過程中至關重要，因為隨意拼接出的亂序短肽（介於氨基酸和蛋白質之間的物質）基本不可能具備穩定功能。由於這些反應的規模極小，無法通過光學顯微鏡觀察，研究團隊通過多種分子結構探測技術對其進行追蹤，包括顯示原子排列方式的磁共振成像技術和測定分子大小的質譜分析技術。

研究團隊認為，由於海洋中的化學物質濃度可能過低，而被稀釋的環境不利於這種化學反應的發生，該反應很可能發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。

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。“RNA世界”理論認為自我複製的RNA是生命的基礎，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，最終實現與RNA的連接。這表明生命的起源可能並非只有一個單一的“起點”，而是新陳代謝系統與遺傳系統從一開始就通過簡單的化學反應協同演化而成。

不僅如此，這一成果還有助於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，是解釋如何從無生命的化學物質過渡到有生命的生物系統。RNA與氨基酸在簡單條件下的自發連接，為這一過渡過程提供了合理的化學基礎。此外，這一發現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進行，那麼在類似條件下的其他星球上，也可能發生類似的化學過程。

理解生命本質，有助於防控治療疾病

儘管取得了突破，科學家們仍然面臨許多挑戰。下一步，研究團隊將探究RNA序列如何優先結合特定氨基酸，從而啓動編碼蛋白質合成的指令——這是遺傳密碼的起源。掌握這種温和可控的“RNA—蛋白質”化學連接機制，未來或可應用於人工生命系統構建、原位蛋白質合成以及新型藥物精準遞送等領域。

需要指出的是，該發現尚未完全揭示生命起源的所有奧秘，RNA如何“學會”自我複製？首個能合成蛋白質的RNA是怎麼來的？等等。對於這些問題，科學界仍需進一步探索。除蛋白質合成外，生命活動還需要細胞膜、代謝系統等組件的協同工作。科學家們將嘗試構建能夠自我複製、自我維持的原始細胞系統，以更全面地理解生命起源。

基於倫敦大學學院團隊的研究成果，我們可以進一步推想：經過40億年的進化，生命體細胞的化學微環境可能仍是維持細胞穩態的重要機制。細胞內化學微環境的失衡，或許正是導致分子互作異常、代謝紊亂及功能結構病變的重要因素。這一視角啓示我們，深入研究細胞化學微環境的動態變化規律，研發精準調控技術，可以為疾病防控提供新策略。

蛋白質作為生命的物質基礎，其合成機制的揭示對於理解生命本質至關重要。生命起源研究作為科學探索的前沿領域，將持續吸引全球科學家的關注和投入。比如，谷歌Deepmind等多家機構採用AI驅動的從頭蛋白質設計，從零開始設計自然界不存在的蛋白質，創造新型酶、生物傳感器、治療蛋白等，為治療癌症、自身免疫疾病等提供新思路。隨着實驗技術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、醫學領域專家）