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一位诺贝尔奖得主的科学家团队在重建能够构建蛋白质的早期地球RNA的探索中向前迈出了一大步。
数十亿年前，在野兽、细菌或任何生物出现之前，就有了RNA。这些分子可能与氨基酸和其他基本的生物分子一起旋转，在一个没有生命的坩埚般的星球上合并和分离。然后，不知怎的，一些特殊的东西出现了:一个简单的机器，一个由RNA组成的口袋，能够将氨基酸相邻放置，也许还能将它们连接成链。这种大分子会逐渐进化成核糖体，即负责将遗传信息转化为蛋白质的RNA-蛋白质复合物。它的诞生——其细节仍是假设——将在这个以RNA为主导的生命起源前的世界中产生根本性的变化，为我们所知的所有生命提供一个关键成分。以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所(Weizmann Institute of Science)的结构生物学家Ada Yonath和她的团队在近20年前首次提出了“原核糖体（protoribosome）”的概念，当时她和其他人确定了现代核糖体的结构，这一成就后来为Yonath赢得了2009年诺贝尔化学奖。
但是为了巩固假设的原核糖体，Yonath和她的实验室必须建造它。
这是一个其他科学家感兴趣的项目。该实验室在过去两年中所取得的成就——创造了一种可以将两种氨基酸连接在一起的原始RNA机器——已经引起了人们的兴奋。日本东京理科大学分子生物学家Koji Tamura领导的一个小组已经成功地制造出了类似的功能原核糖体。
尽管怀疑和警告仍然存在，Yonath和Tamura的工作似乎概括了从原始有机分子到所有生物最后共同祖先使用的核糖体这条道路上的一个里程碑。这不是一项简单的任务:在Yonath的团队中，这个项目从一个研究员传递到另一个研究员，花了超过15年的时间才成功。这项工作现在为生命起源科学家们填补更多细节打开了大门。其他人则在研究原核糖体或类似的东西，将其作为创造新型生物分子的工具。
“这应该是更多研究领域的起点，”博士后研究员Tanaya Bose说，她在过去几年里领导了Yonath小组的工作。
几十年来，科学家们一直试图重现生物分子的化学起源。
70年前，伊利诺伊州芝加哥大学的化学家Stanley Miller点燃了一种气体混合物，制造出了有机化合物。包括Carl Woese和Francis Crick在内的研究人员认为核糖体可能一开始只是由RNA组成的分子，40年前RNA可以催化反应的证据支持了这一观点。这导致了“RNA世界”假说，该假说描述了在细胞或实际生命出现之前，RNA复制和催化反应的一段时间。在过去的十年里，RNA世界的想法受到了质疑，许多科学家现在怀疑，包括基本蛋白质、脂质和代谢物在内的各种生物分子可能与核酸一起存在。
Yonath怀疑早期地球上有大量的RNA。“它们中的大多数已经不存在了，因为它们规模太小，没有什么用处。”她说，原核糖体protoribosome是最持久的。
Yonath和她的同事在2000年初发表了构成核糖体的两种蛋白质-RNA亚基的高分辨率结构。这些例子来自极端微生物。随着来自其他生物的核糖体结构的发表，科学顾问Ilana Agmon注意到一些惊人的东西。在这个大亚基的核心深处有一个半对称的部分。这个区域包含一个由核糖体RNA组成的口袋状结构，称为肽基转移酶中心(PTC)。在mRNA转化为蛋白质的过程中，当两个氨基酸被放置在PTC中，就会为它们相互碰撞创造条件。而且，尽管这种结构的特定核苷酸序列在不同物种之间有所不同，但在每个例子中，其形状都是相同的，这表明它对核糖体维持生命的能力至关重要。
2006年，当Yonath开始向她的团队询问核糖体的进化时，Agmon建议仔细观察包含PTC的半对称区域。“我们推测这是原核糖体，这是核糖体进化的一部分，”他们假定的原始核糖体区域是由178个核糖核苷酸组成的，Yonath指出，这将是一个非常大的结构，在原始地球上完全形成。部分基于她观察到的对称性，Agmon提出了一个模型，需要两个相似的l型RNA，分别为60个和61个核苷酸。研究小组认为这是早期地球上出现的更合理的分子大小。
这种规模的碎片当然是合理的。佛罗里达州阿拉丘亚应用分子进化基金会的生物化学家Elisa Biondi和她的同事们成功地在一种叫做岩石玻璃的物质上合成了大约100-300个碱基长的RNA，这种物质可能是在生物起源之前的世界由于火山活动或陨石撞击而形成的。
但并不是所有人都相信短片段是自发形成的。法国斯特拉斯堡大学(University of Strasbourg)的有机化学家Joseph Moran对原核糖体只是突然出现的说法表示怀疑。“它必须从更简单的东西中推导出来，”他说。
位于东兰辛的密歇根州立大学的生物学家Robert Root-Bernstein对这些更简单的东西有一个理论:转移RNA (tRNAs)。在现代核糖体中，氨基酸进入PTC，附着在与mRNA上的三字母代码匹配的tRNA上。这些编码决定了蛋白质中的下一个氨基酸。对于Root-Bernstein和其他人来说，PTC核心看起来很像四个连接在一起的RNA。他指出，tRNA不仅将氨基酸传递到核糖体;它们是多功能分子，可以完成各种任务，比如感应营养物质和沉默基因。也许它们在原核糖体之前就有某种功能，然后为原核糖体的结构提供了积木。
原核糖体假说认为，这些早期RNA口袋中的一个可以将氨基酸连接在一起，然后它进化成具有相同功能的核糖体。科学家们表示，这是一个合理的想法，但并不是必然的。亚特兰大佐治亚理工学院的进化生物学家Anton Petrov说:“这是有道理的。”但他也认为，早期的RNA机器可能具有不同于肽合成的功能，然后随着原核糖体的出现，它们承担了这一角色。
在提出原核糖体假说后，Agmon搬到了位于海法的以色列理工学院。实验开始时，研究生Chen Davidovich带头。Yonath说，第一步是制造分子来构建这个理论上的原核糖体。
Davidovich研究了各种现代核糖体的RNA序列。这种大分子含有数十种核糖核苷酸和附属蛋白，但并非所有这些都与PTC的形状或功能有关。他剥离了任何看起来与原核糖体无关的物质，只留下足够的RNA来形成那个半对称的口袋。其中一些RNA能够配对成类似阿格蒙想象的PTC核心的东西。
“这花了很长时间，”Yonath回忆道，但下一步需要更长的时间。第二步是证明这些假定的原核糖体可以吸收两种氨基酸并将它们连接在一起。
Davidovich试图用与其他研究人员测量现代核糖体将两个氨基酸类似物连接成二肽的能力相同的方法来显示PTC活性。他给这些类似物贴上了放射性标签，这些类似物与一些核苷酸相连，代表tRNA。在将它们与原核糖体混合后，他认为他能够按大小对分子进行分类，并找到更长的、带有无线电标记的二肽。但他从未发现二肽的迹象。“这几乎毁了我的职业生涯，”Davidovich回忆道。幸运的是，他有与Yonath实验室的另一个兴趣相关的备用（能毕业的）项目，即攻击核糖体的抗生素。他于2010年毕业，现在领导着澳大利亚墨尔本莫纳什大学一个研究基因抑制的实验室。
接班的是研究生Miri Krupkin，她被PTC的对称性和它比任何人类化学家都更快地构建蛋白质的能力所吸引。利用Davidovich的结构和Krupkin自己设计的其他结构，她也试图根据其大小来检测放射性二肽产物。她还尝试用荧光标记基质，而不是放射性标记。然而,什么都没有。Krupkin开始怀疑原核糖体在它第一次出现时是否会产生缩氨酸。她测试了其他潜在的化学反应，比如从其他分子中添加或去除磷酸基，但仍然一无所获。
“我继续研究，因为这是一个非常有趣的问题，”Krupkin说。但与Davidovich类似，她不得不依靠另一个同样是抗生素的项目，才能在2016年毕业。她目前是加州斯坦福大学的博士后研究员，研究艾滋病毒的RNA结构。
继承者Bose于2016年以博士后身份加入实验室，他将把这个项目带到终点。她曾是一名化学家，这给了她一个全新的视角。她知道，如果原始的原核糖体真的起作用，它很可能是低效的，只能产生极少量的二肽。玻色没有按大小分离反应产物，而是采用了质谱法，这种方法在当时已经发展成为最灵敏的方法。这仍然不容易——她进行了许多反应和对照实验，并尝试了两种形式的质谱分析——但最终，她看到了一个代表预期的二肽1,2的峰值。
“产物的数量很少，”Bose说。她怀疑Davidovich和Krupkin可能一直在制造它，但用他们的方法还不足以探测到它。
Yonath说，即使是这么少的量，生产出来也“有点了不起”。“他们在一个非常困难的问题上取得了进展。”
在Krupkin试图测量二肽产物的时候，Yonath团队并不是唯一一个在探索最小肽结合机的团队。日本的Tamura也受到了半对称的核心口袋的启发。他招募了一个小组，其中包括硕士学生Mai Kawabata和本科生Kentaro Kawashima，来制作他们自己的原型状结构。
他们的PTC复制体由两个74-核苷酸RNA组成，与Yonath的相似，但为了代替现代tRNA，他们使用了一种叫做迷你螺旋的结构。这些tRNA大约是现代tRNA的一半大小，因此比Yonath使用的tRNA替代品大得多。现代tRNA被认为是从微型螺旋进化而来的。
Tamura的团队最终也取得了成功，他们也用质谱法检测到了这种二肽。Tamura说:“Mai和Kentaro很有耐心，反应迅速，最终，我们赢得了一场大胜。”
Tamura的前博士后导师Schimmel说，微型螺旋是一个关键的补充。Schimmel说:“可以说，他把它带到了下一个层次，因为他构建了许多进化论者所相信的原始tRNA。”他指出，一些科学家甚至怀疑微型螺旋进化出了自我复制的能力，这是生物进化道路上的另一个关键步骤。
Tamura警告说，这两个实验室的结构都不像现代PTC那样工作。“我们所有的结果都太简单了，”他说。“在真正理解PTC和核糖体的进化之前，我们还有很长的路要走。”
对Bose来说，这已经足够近了。“我们认为这就是第一批蛋白质的起源，”她说。
但正如其他科学家指出的那样，在早期地球上，多肽可能有其他方式出现。将氨基酸连接起来“非常容易”。例如，一些科学家提出，氨基酸和α-果酸(其中包括乳酸和柠檬酸)可能在地球早期的冷、湿、热、干条件的循环中形成多肽，而不需要RNA。去年，另一个团队使用RNA碱基(虽然不是现代RNA编码中使用的A、C、G和U碱基)将多肽组合在一起。研究人员提出，在RNA世界中，即使没有核糖体，这种情况也会发生。问题在于:“它与自然界现在从RNA中制造多肽的方式毫无相似之处。”
原始核糖体工作的特殊之处在于，我们可以想象，在几千年的时间里，原始核糖体是如何积累额外的RNA和蛋白质片段来创造现代核糖体的。
Petrov和他的同事们从今天的核糖体开始，精确地预测了这种时间线。他们分析了核糖体的原子水平的“指纹”，当添加新的RNA分支时，这些指纹会留在3D核糖体结构中。这导致了一个模型，显示了与Yonath的原核糖体相匹配的早期结构，随着时间的推移，额外的RNA片段慢慢被吸收。
Yonath团队的下一步显然是尝试制造一组长度超过两个氨基酸的多肽。Bose正在研究这个问题，但需要不同的起始材料。
有一个小组声称已经从原核糖样结构合成了一种较长的肽。德克萨斯州休斯顿大学的生物物理学家WANG Yuhong和她的同事报告了用更大版本的PTC进行实验的质谱分析结果，表明产生了9个赖氨酸链。王认为可能还有其他长度的赖氨酸聚合物。“我认为我们有强有力的证据，”她说，但她承认控制是不完整的，而且她不能解释为什么9个氨基酸串会是最突出的产品。
Wang和其他人对使用这种精简的核糖体来制造新型生物分子很感兴趣，不局限于通常的20种氨基酸，甚至根本不局限于氨基酸，这可能在医学或工业上有用途。例如，它们可能用氨基酸构建分子，这些氨基酸在结构上是右撇子，而不像地球上的生命中看到的左撇子。这种大分子合成方法可能比其他方法更便宜，更环保。
与此同时，关于生命起源的研究还有很多要做。科学家们需要弄清楚RNA是如何获得自我复制能力的。他们需要发现早期核糖体是如何设法创造由原始mRNA编码的特定肽的。这些过程，加上合成多肽的能力，将为进化提供原材料。
Sutherland说，还有一个因素:由原核糖体产生的早期缩氨酸一定在某种程度上是有用的，否则对机器的继续存在就没有进化优势。他提出了一些推测性的功能:也许肽隔离了金属离子，否则会破坏RNA。或者，它们可能有助于形成早期的生物分子室，将RNA和多肽集中在一起。当你得到一些进化可以发挥作用的东西时，剩下的就是历史了。”
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