那些大約在37億年前出現(xiàn)在地球上最早的蛋白質是什么樣的？
近日，科學家們試圖解答了這一問題。以色列魏茨曼科學研究所的Dan Tawfik教授和耶路撒冷希伯來大學的Norman Metanis教授重建了蛋白質序列，它們很可能與現(xiàn)代蛋白質的祖先非常相似。研究結果提出了這些原始蛋白質進化成活體細胞的一種可能性。該研究已發(fā)表在《美國國家科學院院刊（PNAS）》上。
細胞遺傳物質編碼的蛋白質相當于活體細胞中的螺絲、彈簧和齒輪等所有運轉部件。但是，我們認為第一種蛋白質早于細胞出現(xiàn)，因此也就早于我們已知的生命出現(xiàn)?，F(xiàn)代蛋白質由20種不同的氨基酸組成，它們都是構造蛋白質所必需的，并且全部以高分子聚合物的形式排列——一種長的鏈狀分子，其中每種氨基酸的位置對于蛋白質的功能至關重要。但是，關于最早的蛋白質是如何產生的卻存在一個悖論。因為制造蛋白質所需的氨基酸本身是由其他蛋白質（酶）產生。這是一個雞生蛋還是蛋生雞的問題，到目前為止，它只是部分解答了這一問題。
科學家們認為，真正最早的蛋白質源于較短的名為肽的蛋白質片段。這些肽原本是原始化學湯中自發(fā)產生的氨基酸的粘性組裝。然后，短鏈肽會彼此結合，隨著時間的流逝，形成了具有某種作用的蛋白質。
氨基酸的自發(fā)產生早在1952年就已經被證明，Miller和Urey在這項著名的實驗中，復制了人們認為存在于地球生命之前的條件，并增加了可能來自閃電或火山的能量。研究表明在合適的條件下氨基酸可以在沒有酶或任何其他活體生物機制的情況下形成，這表明氨基酸是在酶這只“雞”出現(xiàn)之前的“蛋”。
魏茨曼科學研究所生物分子科學系的Tawfik說，這一切都很好，但是，該實驗及后續(xù)的每個實驗都缺少某種重要的氨基酸類型，比如攜帶正電荷的精氨酸之類和賴氨酸。這些氨基酸對現(xiàn)代蛋白質特別重要，因為它們與DNA和RNA相互作用，而DNA和RNA都帶有凈負電荷。
如今，RNA被認為是既可以攜帶信息又可以復制自身的原始分子，因此從理論上講，與帶正電荷的氨基酸接觸對于活體細胞進一步發(fā)育是必不可少的。
但是，在Miller和Urey的實驗中出現(xiàn)了一種帶正電荷的氨基酸，即一種名為鳥氨酸的氨基酸，這種氨基酸被發(fā)現(xiàn)存在于精氨酸產生的中間步驟，但其本身并不用于制造蛋白質。因此，研究團隊提出疑問：鳥氨酸是否就是那些祖先蛋白質中缺少的氨基酸？為此，他們設計了一項實驗來檢驗這個假設。
科學家們從一個與DNA和RNA結合的家族中相對簡單的蛋白質開始，運用系統(tǒng)發(fā)育的方法來推斷祖先蛋白質的序列。該蛋白質原本富含正電荷（64個氨基酸中的14個為精氨酸或賴氨酸）。接下來，他們創(chuàng)造了合成蛋白，鳥氨酸取代了這些氨基酸成為正電荷載體。
基于鳥氨酸的蛋白質能夠與DNA較弱地結合。然而，在Metanis的實驗室中，研究人員發(fā)現(xiàn)簡單的化學反應可以將鳥氨酸轉化為精氨酸。這些化學反應能夠在某種條件下發(fā)生，它存在于最初的蛋白質在地球上出現(xiàn)之前。隨著越來越多的鳥氨酸轉化為精氨酸，蛋白質越來越類似于現(xiàn)代蛋白質，并以更強且更具選擇性的方式與DNA結合。
科學家們還發(fā)現(xiàn)，在RNA存在的情況下，肽的古老形式會進行相分離，就像油滴在水中一樣，這一步驟隨后會導致自組裝和“部門化”。 Tawfik說，這表明這種蛋白質與RNA一起可以形成原始細胞，真正的活細胞可能就是從原始細胞進化而來的。
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