如这张显微照片所示，称为多核糖体的活细胞结构显示了蛋白质合成的作用。核糖体（蓝色）沿着信使 RNA（洋红色）链移动，读取其编码内容并组装肽链（绿色）。
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在过去的几十年里，生命最深、最古老的根源是由进化得越来越复杂的 RNA 分子奠定的，这一观点主导了生命起源领域，主导了从肽或 DNA 开始的竞争理论。
但最近，该领域已经转向包含不止一个主角的理论。获得特别动力的是RNA和肽共同进化复杂性的想法，并且它们的混合激发了我们所知道的生命。
现在，发表在《自然》杂志上的一项新研究为“RNA 肽世界”注入了活力，它提出了一种合理的途径，说明早期 RNA 分子如何使肽直接在其上生长，就像蘑菇在树上生长一样。这些肽可能反过来稳定了 RNA 分子，使它们有空间复合。生命中的两个关键参与者作为一个混合的“嵌合”分子共同进化，这可能是蛋白质生产的开始，也是朝着核糖体原始版本迈出的一步。
“事实证明，他们实际上可以互相帮助，”法国斯特拉斯堡超分子科学与工程研究所的初级小组负责人克劳迪娅·邦菲奥说，他在论文的同时写了一篇评论。研究表明，肽和 RNA 的原材料很可能在生命之初就已经存在，因此本文提出了“为什么我们应该只关注 RNA？”的观点。邦菲奥说。
加州大学圣地亚哥分校化学和生物化学教授Yitzhak Tor说，这项工作为探索生命的起源开辟了新的方向，他没有参与这项研究，但与作者长期合作。 “现在你需要考虑两种不同生物分子之间的相互作用。”
蓝色大理石太空科学研究所和美国宇航局艾姆斯研究中心的研究科学家安德罗·里奥斯说，这是一个“非常有趣的演示”。
这些发现还解释了一个让研究生命起源的研究人员感到困扰的主要鸡蛋和鸡蛋难题：当核糖体部分由蛋白质本身？
活化石
当细胞需要制造蛋白质时，它们的基因会产生长长的信使 RNA (mRNA) 线，这些信使 RNA (mRNA) 会编码非常精确的制造方法。核糖体滑过这些配方以读取它们并在其氨基酸供应商的帮助下组装与每个步骤相对应的氨基酸：称为转移 RNA (tRNA) 的分子随着过程的展开不断潜入。核糖体将不断增长的肽链转移到 tRNA 引入的每个新氨基酸上。这些链越来越长，最终折叠成功能性蛋白质。
然而，蛋白质在 35 亿年前以类似的方式形成的可能性不大。将肽保持在 tRNA 分子上的键相当弱。如果没有可用于提供庇护的核糖体，水分子会在肽形成之前破坏这些键，使得该过程在原始世界恶劣的水环境中不可行。
但大多数人都专注于以更简单的形式重新创建熟悉的蛋白质翻译过程，新论文的高级作者兼慕尼黑路德维希马克西米利安大学有机化学主席Thomas Carell说。如果古代翻译看起来与现代形式大不相同怎么办？
卡瑞尔和他的团队开始深入研究这个想法，寻找可能在原始条件下幸存下来的更牢固的联系。这就是他们如何划分经常被忽视的称为非经典核苷酸的分子。 RNA 的遗传密码通常只有四个碱基（腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶），但具有其他碱基的核苷酸也存在于许多从事其他工作的 RNA 分子中——包括帮助核糖体中的蛋白质生产。这些不寻常的核苷酸可以通过化学键连接到氨基酸上，该化学键比将氨基酸连接到 tRNA 分子上的化学键强得多。
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在2018 年的一项研究中，Carell 和他的团队报告说，经典核苷酸和非经典核苷酸很可能在生命出现之前同时进化。一些转移和核糖体 RNA 存在于所有生物的最后一个普遍共同祖先中。
这里是“一个古老的 RNA 世界的遗迹，它们直接位于系统最古老的部分，”Carell 说。 “所以我们说，好吧，这些是我们的化石——让我们看看化石能告诉我们什么。”
他们为不同类型的肽生长过程开发了一个模型。他们想象两条 RNA 链被这些不寻常的核苷酸所覆盖，他们使用更强的键装载了一个氨基酸。在让第一个氨基酸跳到第二条链后，他们可以用另一个氨基酸重新加载第一条链。通过循环加热和冷却系统，它们可以反复断裂并在两条链上的氨基酸之间形成键，将氨基酸从一条链翻转到另一条链并延伸链。
实际上，如果构建肽就像用积木组装一座塔，那么新工艺通过在不断增长的堆叠顶部添加块来添加氨基酸，而核糖体蛋白质合成通过将塔移动到底部的新碎片上来扩展塔。
生长肽
测试他们的理论涉及一组被 Carell 称为“乏味”和“残酷的绝技”的实验——但最终，他们表明该过程确实可以产生长达 13 个氨基酸的肽。
这个过程远没有在细胞中看到的蛋白质翻译。最重要的缺失特征是核糖体正在翻译 mRNA 中编码的特定蛋白质的指令。在新系统中，“我们生长相对随机的肽，”Carell 说。
但研究人员确实成功地证明了肽可以完全由 RNA 逐步构建，这是“以前从未做过的事情，”Bonfio 说。总而言之，所展示的过程是迈向分子识别的重要一步，她说，即使它不是核糖体的原始版本。
“这是一个非常漂亮的化学例子，”未参与这项研究的亚利桑那州立大学副教授Sara Walker说。但她和格拉斯哥大学化学系主任Lee Cronin都认为该系统可能过度设计或过于不切实际，无法模仿生命开始时可能发生的情况。
然而，对于其他人来说，这部作品对原始世界的模仿不如它为进一步研究打开的大门重要。俄亥俄州全国儿童医院基因治疗中心的研究助理教授Nizar Saad说，因为研究结果表明肽和 RNA 可以一起进化，很明显“这可以通过实验和化学方式完成”。萨德说，RNA-肽世界“是科学界现在的目标”。
RNA-肽世界
“我不想取代 RNA 世界理论，”Carell 说。但是“我认为我们需要扩展”以使其更合理。他认为 RNA 和肽不是单独发展它们的复杂性，而是将它们作为一个分子一起完成，互补彼此的功能。
卡瑞尔说，RNA和肽的共同进化嵌合体将为生命进化提供最佳方案。他和他的团队发现，不仅 RNA 分子帮助肽生长，而且肽也为 RNA 分子带来了稳定性。
随着嵌合体的结构最终变得更长、更复杂，肽部分可能已经稳定了 RNA，足以使其开始自我复制和进化。同时，RNA 可能让肽部分获得了足够复杂的结构，使其能够开始催化化学反应。最终，这些部分可能会分开并开始以更类似于核糖体中发生的方式相互作用。
Carell 和他的团队接下来希望了解他们是否可以让他们的非正统 RNA 分子从编码信息中生长出特定的肽。然后，他们希望看看这种肽是否可以发展出可能有助于 RNA 复制的催化功能。
无论未来是成功还是失败，总是很难确切地知道数十亿年前发生了什么。 “我们无法回到过去，所以无论你在现场构建什么，总有人可以说，我认为这一切都发生了不同的事情，”卡瑞尔说。 “如果有人提出更好的模型，[它] 非常受欢迎。科学就是这样发展的。”
原文： https://www.quantamagazine.org/lifes-first-peptides-may-have-grown-on-rna-20220524/