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诺奖得主发现生命的新成分

 作者: 来源:原理 发布时间:2018/12/7 9:21:15 字体大小:

史前的地球,并没有像今天这般平静,它曾经历过一段被小行星不断轰炸的时期。那时的地球满目疮痍,到处都是冒着泡的地热池,看上去似乎完全不适宜生命的发展。

但就在这个还未出现生命的世界的某个角落,一些化学物质以精准的顺序聚集到了一起,形成生命所必不可少的基本构成要素。这样的壮举究竟是如何做到的?这是科学家梦寐以求想要破解的问题。

诺奖得主发现生命的新成分

○ 早期地球的艺术想象图。火山、风暴和热池提供了创造生命所必须的化学成分。

或许,我们可以在实验室中,创造出一个与当时环境类似的微型地球?几十年来,科学家的确是这么做的,他们想要在实验室中寻找导致地球上生命开始的化学路径。

追寻生命起源的故事是一件极具吸引力的事。这种追求令人激动之处不仅仅在于探索与我们自身相关的奥秘。如果我们能够知道地球是如何创造出第一个细胞的,或许就能为我们寻找外星生命提供信息。如果我们能够识别那些可激发生命自发出现的成分与环境,就能在茫茫宇宙中的其他行星上寻找类似的条件。

蛋白质、DNA(脱氧核糖核酸)和RNA(核糖核酸),是生命所需的三大部分。有许多研究生命起源的研究人员倾向于相信RNA是其中最早形成的;还有一部分科学家认为蛋白质和聚合物的出现先于遗传物质。RNA是一种复杂且“多才多艺”的分子,它能储存和传递遗传信息,能帮助合成蛋白质,还能在无数反应中充当催化剂,这些丰富“才艺”使它成为第一批细胞主干的有力候选。

为了验证这个“RNA世界假说”,研究人员面临两项挑战。首先,他们要确定的是,有哪些成分参与了RNA的四种核苷酸——腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和尿嘧啶(U)——的合成。其次,他们需要确定RNA是如何储存和复制遗传信息以便自我复制的。

到目前为止,科学家已经在寻找C和U的前体方面取得了重大进展,但A和G仍然难以捉摸。现在,在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上发表的一篇论文中,哈佛大学的化学与化学生物学教授Jack W. Szostak与论文的第一作者、研究生Seohyun Chris Kim提出,RNA可能始于一组不同的核苷酸碱基。肌苷(I,由次黄嘌呤与核糖结合而成的核苷)作可以为替代品,取代RNA中的鸟嘌呤G。

○ Jack Szostak荣获了2009年的诺贝尔医学奖。之后,他决定追求一个新的挑战:生命的化学起源。| 图片来源:Harvard University

Kim说:“我们的研究表明,最早的生命形式可能起源于与现代生命不同的一组碱基。”换句话说,他们认为第一批RNA所包括的核苷为A、U、C和I(肌苷),而非现代生命中的A、U、C和G。

这个结论是如何得出的?研究人员一直试图在实验室制造出嘌呤基核苷酸A和G,结果却产生了太多不想要的副产物。但是最近,他们发现了一种从原始地球上的可用材料中,制造出不同版本的腺苷(由腺嘌呤与核糖构成的化合物)和肌苷——8-氧代-腺苷(8-oxo-adenosine)和8-氧代-肌苷(8-oxo-inosine)的方法。因此,Kim和他的同事就开始着手研究如果RNA是由这些类似物构成的,是否还能有效地进行复制。

但是,实验中的替代品没能发挥作用。虽然8-氧代-嘌呤RNA仍在尝试执行它的功能,但它失去了自我复制所需的速度和准确性:如果复制得太慢,那么它在这个过程完成之前就会分解;如果复制过程出现太多的错误,它就不能作为用以传播和进化的一个可靠工具。

尽管表现不佳,8-氧代-嘌呤RNA还是带来了一项意想不到的惊喜。作为测试的一部分,研究小组将8-氧代-肌苷的能力与肌苷的能力进行对照比较。结果发现,与8-氧代-肌苷不同的是,肌苷能让RNA高速并鲜少出错地进行复制。研究小组总结说:“结果表明,在RNA复制反应中,肌苷表现出了合理的速率和保真度。我们认为肌苷在早期的生命涌现中可以替代鸟苷(鸟嘌呤核苷)。”

Szostak和Kim的发现为寻找原始RNA和最初生命的潜在化学途径奠定了基础。随着时间的推移,他们的工作或许会证实RNA在我们的起源故事中所扮演的主要角色。或许,科学家会发现早期的地球为生命的成长提供了多种途径。或许在这些知识的武装下,科学家最终能够识别出其他拥有这些基本成分的行星,从而确定在这个宇宙中,是否还有其他生命与我们同在,还是说我们的确是独特而孤独的。

文: Caitlin McDermott-Murphy

原文链接:

https://chemistry.harvard.edu/news/life-has-new-ingredient

(来源:原理)

信源地址:/html/shownews.aspx          
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