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一个与生命起源有关的悖论终于得到了解决

2019-8-13 21:28| 发布者: | 查看: 24| 评论: 0

摘要:   当Caitlin Cornell低头看显微镜时,她看见黑色的背景下浮现出一些大大的明亮斑点。它们就像微缩的太阳,在深色的太空幕布下闪耀着光芒。Conell 回忆起把这些斑点展示给她的导师Sarah Keller时的兴奋,那时她们意 ...

  当Caitlin Cornell低头看显微镜时,她看见黑色的背景下浮现出一些大大的明亮斑点。它们就像微缩的太阳,在深色的太空幕布下闪耀着光芒。Conell 回忆起把这些斑点展示给她的导师Sarah Keller时的兴奋,那时她们意识到,这些斑点或许能解开一个长久以来与生命起源有关的困惑。

  生物细胞尽管千变万化,但所有的这些生物细胞都包含三个基本元素:能编码信息、且能被复制的分子,即 DNA 以及相对简单的 RNA;能执行重要任务的蛋白质分子;能将它们全部包裹起来的由脂肪酸构成的膜。在很久很久以前,在动植物甚至细菌都还未出现的时候,所有的生命前体(即原始细胞)很可能就都有这三个部分:RNA蛋白质细胞膜

  细胞膜是至关重要的存在。如果没有它们来约束其他分子,那么这些分子就会四处飘散,最后什么也不落下。而细胞膜把它们集中了起来,将一个由无序的化学物质组成的无生命世界转变成了一个充满了形形色色的生命的世界,而创造出这些“隔间”是生命出现的关键。

  早期的细胞膜是由脂肪酸构成的,脂肪酸分子看起来点像棒棒糖,它们有着圆圆的头和长长的尾,头部亲水,尾部疏水。因此,当它们与水相遇时,就会自我组装成空心的球体,疏水的尾部指向内部,而亲水的头部露在表面。这些球体可以包裹住 RNA 和蛋白质,形成原始细胞。这样一来,脂肪酸就能自动地创造出生命出现所必需的细胞隔间。

  但这一切似乎美好得令人难以置信,因为生命最初是出现在海洋中的,而海水中的盐会对脂肪酸球体的稳定性带来灾难性的破坏;此外,镁和铁等内离子还会导致球体的坍缩;但早期原生细胞的另一个关键成分 RNA 是需要这些离子的。这样一来,问题就出现了:当生命起源所需的隔间会被当时的环境以及生命赖以生存的物质摧毁时,生命最初又是如何产生的呢?

  Cornell 和 Keller 找到了这个悖论的答案。她们发现,只要有氨基酸存在,这些球体就能同时承受盐离子和镁离子。氨基酸是构成蛋白质的简单分子,Cornell 在她的显微镜下所看到的微缩太阳就是氨基酸和脂肪酸的混合物,这些“微缩太阳”在有盐的环境下仍然完好地保持球形。

用透射低温电镜拍摄的膜的图像。上:细胞膜在不含氨基酸的溶液里。下:细胞膜在含有丝氨酸的溶液中,丝氨酸是一种氨基酸,它能促使膜形成多层的同心膜。标尺:100 纳米  图片来源:Alex Mileant/Caitlin Cornell

  这简直太神奇了!这意味着作为生命的两个基本组成部分,原始细胞的细胞膜和蛋白质会为彼此的存在提供条件。通过粘在脂肪酸上,氨基酸给脂肪酸带来了稳定性;脂肪酸又反过来浓缩了氨基酸,促使它们结合成蛋白质。

  Keller 用了一个网球和壁球的例子来解释提高分子的局部浓度的机制。她将不同类型的分子在原始汤中的运动比作是毛糙的网球和坚硬的壁球在一个不断震动的大盒子里来回撞击,这时如果给盒子的一个内面贴上尼龙搭扣,那么到处撞击的网球就会粘在那个表面上,最终所有的网球都会全部紧密地粘在一起。

  这几乎是一个完全偶然的发现。起初,Keller 是想要着手解决另一个问题。那是一个由她的同事Roy Black向她提出的问题。他指出,没有人真正了解在最初的时候,原始细胞的三个要素——RNA、蛋白质和膜,究竟是如何组装的。似乎大家都只是将这种重要的趋同归因于某种随机事件。而 Black 则认为膜本身才是关键,如果脂肪酸能够粘附上蛋白质和 RNA 的成分,它们就可以在自我组装的时候将这些生命的构建块聚集在一起。

  为了验证这一说法,Cornell 培养了一种含有三种不同氨基酸的脂肪酸,这是三种人们认为在原始地球上就存在的氨基酸。果然,正如 Black 所怀疑的那样,这些分子会相互作用。但当她在显微镜下观察时,Cornell 还发现了一些特别的事情。

  脂肪酸如预期的那样自我组装成了空心球体,它们有着透明的内部和非透明的边缘,像水母一样四处漂浮。如果加入盐或镁离子,这些“水母”就会分解。但如果她在加入了氨基酸后再这样做,这些“水母”就能就维持形状。更重要的是,它们的形态变成了像是会发光的洋葱,它们曾经中空的中心填充了另一层脂肪酸——球体内产生了另一个球体。而并非巧合的是,真实的生物细胞就是这样的:细胞膜不是由一层脂肪酸组成的,而是两层。

用透射低温电镜拍摄的膜的图像。上:细胞膜在没有氨基酸的氯化镁溶液中,氯化镁是一种能破坏膜的盐。下:细胞膜在氯化镁和丝氨酸溶液中。标尺:100 纳米  图片来源:Alex Mileant/Caitlin Cornell

  因此,氨基酸的存在不仅保护了脂肪酸球体,而且还使它们成为了更明显的生物。这是为什么?Keller 笑着说:“我们不知道,我们也无从预测到它们会这样。现在的我们正处于一个为未来理论打开了大门的美妙位置。”

  这是一项重要的发现。此前也有其他研究发现过氨基酸、脂肪酸膜和 RNA 之间的两两相互作用,但 Cornell 和 Keller 的研究有效地将这三者都联系在了一起。氨基酸让细胞膜可以在有镁的情况下存在,而镁是 RNA 可发挥功能所必需的元素。

第一批细胞的组成部分如何在细胞膜上共存的模型。左:原始汤中的细胞膜、RNA 和蛋白质的组成部分。中:洗标膜形成(灰色圆圈),并与一些新的构建块结合,对膜起到稳定作用。右:被膜包裹的功能性 RNA 和蛋白质。 图片来源:Roy Black/Sarah Keller

  一直以来,与生命起源有关的研究都存在很多争议。其实,就算是对此刻正在发生的事情,科学家也经常会产生激烈的分歧,更不用说是发生在 35 亿年前的事。有的研究人员认为生命起源于浅浅的火山池,有的则认为生命起源于水下热泉口。幸运的是,Keller 的想法在两种环境下都能行得通。她说:“我是不可知论者,我为能使原始细胞的概念更有可能独立于位置而感到兴奋。”

  现在,她正在研究原始细胞在组装之后会发生什么。当然,有一个能包含制造蛋白质和 RNA 所需的构件块的隔间,但是这些单独的构建块是如何结合起来形成更大的分子的呢?Cornell 说,这是个很难回答的问题,也是她们接下来将要研究的问题。

  原文作者:Ed Yong 参考链接:

  [1] https://www.theatlantic.com/science/archive/2019/08/interlocking-puzzle-allowed-life-emerge/595945/

  [2] https://www.washington.edu/news/2019/08/12/protein-building-blocks-stabilize-membranes/

 


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