生命之初的分子合作

诸平

Fig. 1 Amyloids are protein-like aggregates that often form fibres (artist’s impression). (Visualisation: Science Photo Library / Alfred Pasieka)

Fig. 2 Nucleic acids and amyloids both have a periodic structure. (Graphic: Rout et al. Journal of the American Chemical Society 2023, edited)

In brief

1. Amyloids may be among the first larger precursor molecules of life.

2. They are able to bind to RNA and DNA molecules and thereby stabilise them, as researchers at ETH Zurich have now been able to show.

3. The sequence of the nucleotides in the genetic material has an effect on how it binds with the amyloids. This could provide clues as to how the genetic code developed over the course of evolution.

据瑞士苏黎世联邦理工学院（Swiss Federal Institute of Technology Zurich简称ETHZ）2023年11月27日提供的消息，称为淀粉样蛋白(amyloids)的蛋白质样聚集体(Protein-​like aggregates)可以与遗传物质分子结合。这两种类型的分子有可能在生命的发展过程中相互稳定——这甚至可能为遗传密码（genetic code）铺平了道路（Molecular cooperation at the threshold of life）

有机体如何从无生命物质发展而来是科学中最大的问题之一。尽管已经提出了许多可能的解释，但还没有明确的答案。这并不奇怪：这些过程发生在三四十亿年前，当时地球上的条件与今天完全不同。

用实验数据证明假设（Justifying hypotheses with experimental data）

苏黎世联邦理工学院新成立的跨学科生命起源与流行中心副主任、物理化学教授罗兰·里克 (Roland Riek) 表示：“在这段漫长的时间内，进化彻底抹去了生命起源的痕迹。” 科学别无选择，只能提出假设，并用实验数据尽可能彻底地证实它们。
多年来，罗兰·里克和他的团队一直在追求这样的想法：蛋白质样聚集体（protein-​like aggregates）也被称为淀粉样蛋白(amyloids）可能在化学和生物学之间的转变中发挥着重要作用。罗兰·里克研究小组的第一步是证明这种淀粉样蛋白可以在早期地球上可能普遍存在的条件下相对容易地形成：在实验室中，所需要的只是一点火山气体（以及实验技巧和大量的耐心）使简单氨基酸结合成短肽链，然后自发组装成纤维（参见ETH News）。

生命的前体分子（Precursor molecules of life）

后来，罗兰·里克的团队证明淀粉样蛋白可以自我复制（参见ETH News）——这意味着这些分子满足被视为生命前体分子的另一个决定性标准。现在，研究人员在他们的最新研究中第三次采取了同样的路线，他们表明淀粉样蛋白能够与 RNA 和 DNA 分子结合。

上述图2（Fig. 2）显示出核酸和淀粉样蛋白都具有周期性结构。这些相互作用部分基于静电吸引，因为一些淀粉样蛋白至少在某些地方带正电荷，而遗传物质至少在中性至酸性环境中带负电荷。然而，罗兰·里克和他的团队也注意到，相互作用还取决于遗传物质中RNA和DNA核苷酸的序列。这意味着它们可能代表了将所有生物团结在一起的通用遗传密码的前身。

提高稳定性是主要优势（Increased stability as a major advantage）

然而：“虽然我们发现RNA和DNA分子与淀粉样蛋白结合的方式存在差异，但我们还不明白这些差异意味着什么，我们的模型可能还是太简单了。”罗兰·里克说。这就是为什么他认为结果的另一个方面特别重要：当遗传物质附着在淀粉样蛋白上时，两种分子都会获得稳定性。在古代，这种稳定性的增强可能被证明是一个巨大的优势。

因为当时所谓的原始汤里（primordial soup），生化分子非常稀薄。与今天的生物细胞相比，这些分子在生物细胞内紧密地堆积在一起。罗兰·里克的研究人员在2023年10月2日发表的文章中写道：“淀粉样蛋白已被证明具有增加稀释无序系统中核苷酸的局部浓度和顺序的潜力。”详见Saroj K. Rout, Riccardo Cadalbert, Nina Schröder, Julia Wang, Johannes Zehnder, Olivia Gampp, Thomas Wiegand, Peter Güntert, David Klingler, Christoph Kreutz, Anna Knörlein, Jonathan Hall, Jason Greenwald, Roland Riek. An Analysis of Nucleotide-​Amyloid Interactions Reveals Selective Binding to Codon-​Sized RNA. Journal of the American Chemical Society, 2023, 145: 21915–21924. DOI: 10.1021/jacs.3c06287. Publication Date: October 2, 2023. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c06287

参与此项研究的除了来自瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich, Zürich, Switzerland）研究人员之外，还有来自德国亚琛工业大学（RWTH Aachen University, Aachen, Germany）、德国马克斯普朗克化学能转换研究所（Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion, Mülheim/Ruhr, Germany）、德国歌德大学（Goethe University, Frankfurt am Main, Germany）、日本东京都立大学（Tokyo Metropolitan University, Hachioji, Japan）以及奥地利因斯布鲁克大学（Universität Innsbruck, Innsbruck, Austria）的研究人员。  

罗兰·里克指出，虽然竞争是达尔文进化论的核心，但合作也发挥了重要的进化作用。这两类分子都受益于淀粉样蛋白与RNA或DNA分子之间的稳定相互作用，因为随着时间的推移，长寿的分子比不稳定的物质积累得更强烈。甚至可能分子合作而不是竞争才是生命出现的决定性因素。“毕竟，当时可能并不缺乏空间或资源，”罗兰·里克说。

本研究得到了德国研究基金会{Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation, Project 455240421 and Heisenberg Fellowship, Project 455238107) }和德国马普学会（Max Planck Society）的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Interactions between RNA and proteins are the cornerstone of many important biological processes from transcription and translation to gene regulation, yet little is known about the ancient origin of said interactions. We hypothesized that peptide amyloids played a role in the origin of life and that their repetitive structure lends itself to building interfaces with other polymers through avidity. Here, we report that short RNA with a minimum length of three nucleotides binds in a sequence-dependent manner to peptide amyloids. The 3′–5′ linked RNA backbone appears to be well-suited to support these interactions, with the phosphodiester backbone and nucleobases both contributing to the affinity. Sequence-specific RNA–peptide interactions of the kind identified here may provide a path to understanding one of the great mysteries rooted in the origin of life: the origin of the genetic code.