加州大学洛杉矶分校和美国宇航局的研究人员发现，对生命结构至关重要的分子手性可能并不像之前认为的那样在早期地球上固定，这表明生命的起源更加多样化和适应性更强。
最近的研究结果表明，对生命结构至关重要的分子手性在早期地球上可能并不像以前认为的那样固定，这表明生命的起源更加多样化和适应性更强。
加州大学洛杉矶分校和美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的研究人员发表的一篇新论文对生命的奥秘提供了新的见解。先前针对现有分子生物学结构的实验表明，生命倾向于分子同手性：即我们今天所看到的“单手性”偏好。这项新研究集中于RNA世界期间可能存在的结构，表明 RNA 最初并不倾向于某种手性氨基酸的化学偏好。探索生命不对称的基础地球上的生命是否可能呈现出完全不同的形态，包括构成我们身体的遗传密码和蛋白质？生命的发展方式是否可能取决于这些分子是“左旋”还是“右旋”？
加州大学洛杉矶分校 (UCLA) 和美国宇航局戈达德太空飞行中心的科学家在《自然通讯》上发表的新研究揭示了这个基本问题。该研究表明，地球上最早的生命可能呈现出不同的形状，其结果本质上是化学抛硬币。
穆奇森陨石中发现的左旋和右旋氨基酸异缬氨酸图。图片来源：NASA，已编辑
手性在分子生物学中的作用在化学中，许多分子以两种镜像形式存在，就像一只左手和一只右手。尽管它们很相似，但这些形式（称为手性分子）并不相同，也不能叠加。这种独特的性质称为手性，在生命构造块的结构和功能中起着至关重要的作用。
手性存在于糖中——特别是DNA（脱氧核糖核酸）和 RNA（核糖核酸）中的“核糖” ——以及 20 种左右常见的氨基酸，它们是执行遗传指令的所有蛋白质的组成部分。
地球上的所有生命都是由“右旋”糖和“左旋”氨基酸组成的。
它们的镜像对应物也存在。理论上，这些被称为对映体的几何孪生分子也可以作为生命的基石。但在地球上，所有参与生命的分子都具有相同的手性。
RNA世界假说与分子实验人们认为，DNA 和 RNA 中的右手糖和左手氨基酸在地球早期就进化出了相互协作的能力，当时单链 RNA 可能是第一个产生 DNA 和氨基酸的分子。这个假设的时期大约在 40 亿年前，通常被称为“RNA 世界”。
先前的实验表明，生命倾向于分子同手性，即我们今天所看到的“单手性”倾向，但那些研究集中于现有的分子生物学结构。
这项新研究的重点是 RNA 世界中可能存在的结构。他们的实验以核酶为中心——已知可以催化化学反应的 RNA 小片段。研究人员想看看右旋核酶是否总是生成左旋氨基酸，或者是否存在一些变异。
对 RNA 灵活性的新见解为了验证他们的假设，研究人员模拟了 RNA 世界早期地球的条件。他们孵育了一种含有核酶和氨基酸前体的溶液，以观察右手型和左手型苯丙氨酸的相对百分比，而苯丙氨酸是该溶液有助于产生的一种氨基酸。在测试了 15 种不同的核酶后，他们发现右手型核酶可以偏向左手型或右手型氨基酸。这表明 RNA 最初并不倾向于对一种手性氨基酸进行化学偏向。
“该领域早期的研究更多地受到现有生物学化学结构的启发，而我们的研究着眼于任何能与链上任何位置的活性氨基酸发生反应的 RNA，”研究负责人、加州大学洛杉矶分校萨缪尔工程学院化学和生物分子工程教授艾琳·陈 (Irene Chen) 表示：“我们发现，这些核酶虽然与我们目前的生物学关系不大，但可能确实代表了地球生命的潜在‘未走的路’。”
对外星生命和未来研究的影响这种缺乏偏好的现象挑战了早期生命倾向于选择左手氨基酸的观点，而左手氨基酸在现代蛋白质中占主导地位。这项研究还为如何寻找外星生命的化学信号提供了见解。
“研究结果表明，生命最终的同手性可能不是化学决定论的结果，而可能是在后来的进化压力下出现的，”研究作者、加州大学洛杉矶分校萨缪尔利博士后学者、陈研究小组成员 Alberto Vázquez-Salazar 说道：“这项研究强调了 RNA 作为研究早期进化和生命出现模型的灵活性和适应性，特别是关于生物同手性的起源。”
地球生命之前的历史超越了最古老的化石记录，这些化石记录已被板块构造逐渐摧毁。在那段时间里，地球很可能遭到小行星的轰击。除了化学实验外，其他生命起源研究人员还在研究陨石中的分子证据。
“了解生命的化学特性有助于我们知道在整个太阳系寻找生命时要寻找什么。”合著者、戈达德天体生物学高级科学家兼天体生物学分析实验室主任杰森·德沃金 (Jason Dworkin) 说。
美国宇航局正在对生命构成要素进行研究德沃金是美国宇航局OSIRIS-REx任务的项目科学家，该任务从小行星贝努中提取了样本并于去年将其送回地球进行进一步研究。
德沃金说： “我们正在分析 OSIRIS-REx 样本，以确定单个氨基酸的手性（旋向性）。未来，来自火星的样本也将在实验室中进行测试，以寻找核酶和蛋白质等生命存在的证据。”
这项研究得到了美国国家航空航天局、西蒙斯基金会生命起源合作项目和美国国家科学基金会的资助。Vázquez-Salazar 承认这项研究得到了美国国家航空航天局博士后计划的支持，该计划由美国国家航空航天局与橡树岭联合大学签订合同管理。
论文的其他作者包括加州大学圣巴巴拉分校陈教授研究小组前成员乔希·肯切尔 (Josh Kenchel)、埃文·詹森 (Evan Janzen)、雷诺·威尔斯 (Reno Wells) 和克里希纳·布伦顿 (Krishna Brunton)；加州大学洛杉矶分校陈教授研究小组成员凯尔·舒尔茨 (Kyle Schultz)；剑桥大学研究员刘紫薇；加州大学圣巴巴拉分校布伦环境科学与管理学院研究生李薇薇；以及戈达德天体生物分析实验室的天体化学家埃里克·帕克 (Eric Parker)。
艾琳·陈还担任加州大学洛杉矶分校化学与生物化学系的教职。
参考文献：“自氨酰化核酶的益生元手性转移可能有利于任一手性”，作者：Josh Kenchel、Alberto Vázquez-Salazar、Reno Wells、Krishna Brunton、Evan Janzen、Kyle M. Schultz、Ziwei Liu、Weiwei Li、Eric T. Parker、Jason P. Dworkin 和 Irene A. Chen，2024 年 9 月 12 日，《自然通讯》。DOI：10.1038/s41467-024-52362-x
来源：加州大学洛杉矶分校
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