图片说明：在生命起源的过程中，催化剂加速了化学反应，开启了前生物进化（prebiotic evolution），最终进化成为细胞。最新的研究结果显示了原始蛋白质是如何提高能加快中心化学反应的能力，而且该中心化学反应在地球早期生命出现的过程中是必不可少的。图片来源：NA
来自于北卡罗莱纳大学医学院（UNC School of Medicine）的科研人员，提供了快速合成两类蛋白质的直接实验证据，这两类蛋白质在地球诞生首个生命的过程中是不可或缺的。
在地球上拥有细胞之前，简单，微小的催化剂会加速、同步化学反应能力，这些化学反应对于从原始汤（primordial soup）中进化出生命来说是必需的。然而，这些催化剂是什么？它们在同一时间是如何出现的？它们又是如何进化产生两种用于解译遗传密码的现代酶？对于这些我们都一无所知。
在Journal of Biological Chemistry期刊上，来自于北卡罗来纳大学医学院的科学家们提供了原始蛋白质是如何加速中心化学反应能力的直接实验证据，化学中心反应对于协同蛋白质，以及在地球产生之后孕育生命是十分必要的。
该研究结果为我们提供了另一个视角，那就是自然在数十亿年前通过原始化学进化出生命。在早些时候，Carter以及同样来自于北卡罗来纳大学的同事，Richard Wolfenden博士在Proceedings of the National Academy of Sciences 期刊上发表了他们的论文，他们发现了更多的证据来证明氨基酸是通过怎样一种方式被选择出来，并按照基因蓝图组合形成蛋白质，蛋白质被认为是活细胞的机器。
最新的论文提供了两种主要类型的酶的相关证据，这两种酶主要被用来解译现代生物学中位于相同非凡原始基因的不同链条上的遗传密码。
本论文的资深作者，生物化学和生物教授，Charles Carter博士说：“我们惊奇地发现，单个的古代基因很有可能会利用DNA的双螺旋来编码不同的催化剂，而这些催化剂都能激活氨基酸。由一条组成的多肽可以激活蛋白质内部所需的氨基酸，而由另一条组成的多肽可以激活蛋白质外部所需的氨基酸。”
理解催化作用
创造生命物质的最主要的障碍就是需加速化学反应的进行，而这些化学反应一般都会以较慢的或不同的速度进行，通过加速能让所有细胞内部的反应按照相同的速度进行，这样才能创造生命。从这一角度出发，一个位于现代生物化学金字塔（modern biochemistry towers）顶端的反应成为创造生命的主要障碍：这个反应就是将氨基酸和三磷酸腺苷（ATP）结合在一起，ATP是能够在细胞内部传递能量的小分子物质。这一结合过程能够使蛋白质自然而然地聚集在一起。在没有催化剂存在的条件下，这个反应的过程会比其他任何蛋白质合成过程都要慢1000倍以上。
科学家们知道在现代活细胞的内部有一种被称为氨基酰-tRNA合成酶（aminoacyl-tRNA synthetases）的物质，能够极大地加速该反应。跟所有的酶一样，合成酶也具备相当复杂的构造。他们隶属于两个不同的类型：I类合成酶能够激活20种氨基酸的一半，并将它们连接起来形成蛋白质，II类合成酶则激活另外一半氨基酸用于合成蛋白质。
Carter的科研团队设计了相应的实验，从物理上拆分合成酶，来表示必要的催化活性来自酶的一部分，而这一部分是所有的合成酶家族所共享的，即与ATP结合的那一部分。这一部分由46个氨基酸组成，组成了现代酶的5%-10%，但却表现出了40%的活性。
Carter将这个酶片段命名为原型酶（protozymes），取自希腊词根“protos”，是第一的意思。他们的科研团队发现这些原型酶的活性可以集中在ATP激活反应中。
这样的催化活性意味着原型酶能够以最小的稳定性，最慢的结构，在化学反应形成蛋白质的过渡时期而形成非常紧密的复合物。Carter说，这种复合物在催化作用和在地球上孕育第一个生命的过程中是不可缺少的。
设计师的证据
Carter之后得到了生物化学以及生物物理学教授，Brian Kuhlman博士的帮助，从单个基因中制备了“设计者”原型酶，在该基因中，一条链编码原型酶祖先的I型合成酶，另一条则编码原型酶祖先的II型合成酶。
令人惊奇的是，他们的实验结果显示两种设计合成的原型酶表现出了相同的催化活性，与之前Carter研究团队从现代合成酶中提取出来的原型酶的活性相同。
Carter说：“我们发现，自然已经解决了激活氨基酸的问题，氨基酸被分配在蛋白质的内部（I型）和蛋白质外部（II型），而这些工作都由单个基因来完成。并且，原型酶还可以在不寻常的情况下来完成这个工作：能够在相同的基因信息下解译出完全不同的内容。”
Carter之前有关地球上最早的酶的科研工作曾就这个方向进行过阐述。但是，他的团队当前的研究首次验证了这一方向，对假设进行了实验“原理验证”，该假设最早在1994年提出，由两位理论进化生物学家——Sergei Rodin博士和Susumu Ohno博士共同提出，他们认为一个基因能够通过其双螺旋结构来编码不同的蛋白质。
Carter说：“我们现在有更多的证据来证明氨基酸是如何进化成为生命产生所需的复合分子的。但是更重要的是，我们能够为其他人在研究有关生命起源等方面提供一系列新的方法，这些方法是科学合理的，而且效果显著。”
那么，问题是这一切是怎么发生的呢？
“现在依然还是没有解决先有鸡还是先有蛋的核心问题。现在设计好的原型酶需要核糖体来合成，最终才能产生蛋白质。不过我们所要展示的是，生命基因组包含更多的信息，我们现在了解的是远远不够的，因为先祖基因的双螺旋能够编码两类合成蛋白所需的合成酶。”
这一结果统一了科学家们之前有关于两种不同类型的现代酶的想法，同时极大地简化了形成多样化生命所需的催化剂复合物形成过程：两类催化剂在同一时间和地点共同发挥作用，这都发生在细胞创造生命之前。（科学之家，译审：CR Yang）
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