蛋白质合成，探索生命起源之谜（国际科技前沿）
蛋白质合成示意图。
蛋白质合成和核糖体的横截面示意图。
以上图片均为资料图片
你是否曾想过，40亿年前的地球宛如一座“炼狱”——火山喷涌，海洋沸腾，没有氧气。在万物混沌之中，生命的种子究竟是如何萌发的？近日，英国伦敦大学学院的马修·波纳研究团队在《自然》杂志上发表了一项突破性研究成果。他们通过模拟早期地球环境条件，首次成功实现了RNA（即核糖核酸，存在于生物细胞、某些病毒及类病毒中的遗传信息载体）与氨基酸在无酶条件下的化学连接。自20世纪70年代以来，这一难题一直困扰着科学界，而该成果为解答生命起源中“蛋白质如何合成”的关键问题提供了全新思路。
分子如何迈出通向生命的第一步
生命起源与演化研究是全球科学家持续探索的重大课题，呈现出多学科交叉融合的特点。
在环境条件领域，科学界主要存在两种假说，一种是深海热液生命起源假说，认为热液喷口富含的矿物可为早期化学反应提供能量与催化条件；另一种是陆地热泉环境假说。2024年11月，由中国科学家领衔的国际团队发现了在地球最早期陆地热泉式的环境中，铁硫化物可通过光热催化作用还原二氧化碳，产生甲醇，从而为地球生命起源的关键代谢途径提供物质基础。
在分子进化领域，相关研究多聚焦RNA、蛋白质和脂类等生物大分子的自组装与功能演化，以及“原始细胞”的形成、遗传密码的起源与演化等。
此外，科学家还通过模拟早期地球条件，综合运用化学、生物学、地质学等多学科知识，尝试在实验室环境中重现生命起源的关键步骤。天体生物学研究也将生命起源的探索延伸至对地外样本（如陨石、火星土壤等）的分析，以更好理解地球生命起源，同时为寻找地外生命提供思路方法。
此次伦敦大学学院团队的成果就属于分子进化研究范畴。“要完全阐明生命起源，我们仍需解决诸多问题，而其中最具挑战性也最令人兴奋的，仍是蛋白质合成的起源问题。”波纳表示。
我们知道，氨基酸是构成蛋白质的基本单元，而RNA则负责传递遗传信息并控制蛋白质的合成。了解RNA如何与氨基酸结合，对于理解生命起源和蛋白质合成机制具有关键意义。在现有生命体中，RNA与氨基酸的连接需要专门的酶（合成酶）来催化，而这些酶本身又是蛋白质，其合成信息存储在核酸中，需要由核糖体（RNA是其核心成分）来翻译合成。这就产生了一个“先有鸡还是先有蛋”的经典悖论：没有核酸，就无法编码合成蛋白质；但没有蛋白质（酶），核酸的复制和翻译又无法进行。伦敦大学学院团队的研究证明，在生命出现之前，无需复杂的酶，RNA和氨基酸就可以在早期地球环境下自发连接。这一发现为“分子如何迈出通向生命的第一步”提供了新的关键线索。
融合“RNA世界”和“硫酯世界”两大生命起源理论
近半个世纪以来，科学家们一直在探索RNA与氨基酸在无酶条件下的连接机制，但始终未能成功。以往，科学家尝试让氨基酸与RNA结合时，使用的是高活性分子，但这些分子在水中易分解，还会导致氨基酸相互反应，而不是与RNA结合。
伦敦大学学院团队采用了一种更温和的方法——用硫酯（一种高能化合物）来激活氨基酸。硫酯是很多生物化学反应中的关键化合物。研究人员发现，氨基酸与一种叫做“泛硫乙胺”的含硫化合物反应后，就能变成硫酯形式去激活氨基酸。把这些激活的氨基酸放进模拟早期地球环境的中性水中，氨基酸就能连接到RNA上。这一反应不仅自发发生，还具有高度的选择性，即将氨基酸精准地连接到RNA分子的特定部位，这种选择性避免了氨基酸之间的随意反应。这在生命起源过程中至关重要，因为随意拼接出的乱序短肽（介于氨基酸和蛋白质之间的物质）基本不可能具备稳定功能。由于这些反应的规模极小，无法通过光学显微镜观察，研究团队通过多种分子结构探测技术对其进行追踪，包括显示原子排列方式的磁共振成像技术和测定分子大小的质谱分析技术。
研究团队认为，由于海洋中的化学物质浓度可能过低，而被稀释的环境不利于这种化学反应的发生，该反应很可能发生在早期地球的湖泊或小水池中，而不是广阔的海洋中。这为科学家寻找生命起源的“摇篮”提供了更具体的方向和化学依据。
长期以来，生命起源研究中存在“RNA世界”和“硫酯世界”两大主流理论。“RNA世界”理论认为自我复制的RNA是生命的基础，而“硫酯世界”理论提出硫酯是早期生命形式的能量来源。此次研究团队巧妙融合这两个理论，利用硫酯作为激活氨基酸的动力源，最终实现与RNA的连接。这表明生命的起源可能并非只有一个单一的“起点”，而是新陈代谢系统与遗传系统从一开始就通过简单的化学反应协同演化而成。
不仅如此，这一成果还有助于缩小化学进化与生物进化之间的鸿沟。生命起源研究的一个核心挑战，是解释如何从无生命的化学物质过渡到有生命的生物系统。RNA与氨基酸在简单条件下的自发连接，为这一过渡过程提供了合理的化学基础。此外，这一发现对地外生命的存在可能性也提供了新的思考角度。如果RNA与氨基酸的连接在早期地球条件下能够自发进行，那么在类似条件下的其他星球上，也可能发生类似的化学过程。
理解生命本质，有助于防控治疗疾病
尽管取得了突破，科学家们仍然面临许多挑战。下一步，研究团队将探究RNA序列如何优先结合特定氨基酸，从而启动编码蛋白质合成的指令——这是遗传密码的起源。掌握这种温和可控的“RNA—蛋白质”化学连接机制，未来或可应用于人工生命系统构建、原位蛋白质合成以及新型药物精准递送等领域。
需要指出的是，该发现尚未完全揭示生命起源的所有奥秘，RNA如何“学会”自我复制？首个能合成蛋白质的RNA是怎么来的？等等。对于这些问题，科学界仍需进一步探索。除蛋白质合成外，生命活动还需要细胞膜、代谢系统等组件的协同工作。科学家们将尝试构建能够自我复制、自我维持的原始细胞系统，以更全面地理解生命起源。
基于伦敦大学学院团队的研究成果，我们可以进一步推想：经过40亿年的进化，生命体细胞的化学微环境可能仍是维持细胞稳态的重要机制。细胞内化学微环境的失衡，或许正是导致分子互作异常、代谢紊乱及功能结构病变的重要因素。这一视角启示我们，深入研究细胞化学微环境的动态变化规律，研发精准调控技术，可以为疾病防控提供新策略。
蛋白质作为生命的物质基础，其合成机制的揭示对于理解生命本质至关重要。生命起源研究作为科学探索的前沿领域，将持续吸引全球科学家的关注和投入。比如，谷歌Deepmind等多家机构采用AI驱动的从头蛋白质设计，从零开始设计自然界不存在的蛋白质，创造新型酶、生物传感器、治疗蛋白等，为治疗癌症、自身免疫疾病等提供新思路。随着实验技术的进步和多学科交叉融合的深入，我们有理由相信，生命起源这一终极科学问题将在未来得到更加清晰的解答。
（作者为中国工程院院士、九三学社中央副主席、医学领域专家）
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