蛋白質分子的肽亞基，可能來自宇宙塵埃

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數十億年前，荒蕪的原始地球上某個未知地區成為了復雜有機分子的大熔爐，第一批細胞就是從那里誕生的。生命起源的研究者們提出了無數富有想象力的猜想，來說明這一切是如何發生的，以及必要的原料來自何處。其中最難解釋的是蛋白質——細胞化學的關鍵支柱。在今天的自然界中，蛋白質完全由活細胞制造。在起初沒有生命的情境下，第一個蛋白質分子又是如何形成的呢？

此前，研究人員大多是在地球上尋找線索。然而一項新研究表明，答案或許存在于天空之外漆黑的星際云中。一個天體生物學團隊上個月發布在《自然 天文學》（Nature Astronomy）的文章表明，肽——蛋白質亞基分子——可以自發形成于宇宙中漂浮的冰冷固態塵埃顆粒表面。理論上，這些肽可能曾隨著彗星和隕石來到地球以及其他星球，帶來了一些組建生命的原始材料。

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這篇新論文的主要作者、德國馬克斯·普朗克天文學研究所（Max Planck Institute for Astronomy）及弗里德里希-席勒大學（Friedrich Schiller University）領導這項研究的Serge Krasnokutski表示，這種太空中形成肽的新機制有很好的的簡潔性和熱力學特性，使其有望取代原本的由無生命地球完全通過化學反應形成肽的假說。并且，這種簡潔性表明蛋白質是參與生命進化過程的首批分子之一。

“研究人員稱他們已經找到通往蛋白質的捷徑——一種更為簡單的化學途徑為蛋白質在生命起源早期就已存在的理論重新注入活力。”

這些肽分子是否能在太空艱難跋涉的過程中保存下來，并對生命起源做出重要的貢獻，在很大程度上仍是一個懸而未決的問題。美國羅格斯大學（Rutgers University）環境與生物科學學院的教授Paul Falkowski表示，新論文中展示的化學“非常酷”，但“仍未彌合原始生命起源前的化學與生命首個證據之間的鴻溝”。他補充說，“目前仍缺少一個火花。”

盡管如此，Krasnokutski與同事的發現仍然超出了科學家們原本的認知。在整個宇宙中，肽分子這種資源遠比此前科學家認為的易得，這種可能性也可能對其他地方的生命前景產生影響。

真空中的宇宙塵埃

細胞使蛋白質的形成看起來很簡單。它們在富含如氨基酸等有用分子的環境以及自身的基因指令和催化酶（其本身就是典型的蛋白質）的支持下，大量生產肽和蛋白質。

但Krasnokutski指出，在細胞出現之前，在地球上制造蛋白質并不是一件簡單的事。在沒有任何生物化學過程提供酶的情況下，肽的生產十分低效，這一過程分為兩個步驟，首先制造氨基酸，然后在氨基酸連接成鏈的過程中去除水分子，這一步驟被稱為聚合。這兩個步驟都具有很高的能壘，因此只有在大量能量可用于幫助啟動反應的情況下才會發生。

由于上述要求，大多數關于蛋白質起源的理論要么集中于極端環境中的情景，例如海底熱液噴口附近，要么假設存在諸如RNA等具有催化特性的分子，這些分子可以降低能壘，足以推動反應向前進行（最流行的生命起源理論提出，RNA的出現先于所有其他分子，包括蛋白質）。即便是在上述理論情況下，Krasnokutski也表示需要“特殊條件”才能將氨基酸濃縮到足以聚合的程度。盡管存在很多假說，但尚不清楚在原始地球中，那些特殊條件是如何以及在何處達成的。

然而如今，研究人員稱他們已經找到了通往蛋白質的捷徑——一種更為簡單的化學途徑為蛋白質在生命起源早期就已存在的理論重新注入活力。

在去年發表于《低溫物理學》（Low Temperature Physics）的文章中，Krasnokutski通過一系列計算預測，在太空條件下，在徘徊于恒星之間的極其密集和寒冷的塵埃云和氣體云內，可能存在一種更直接的制造肽的方法。這些分子云是新恒星和恒星系的孕育地，里面充滿了宇宙塵埃和化學物質，其中含量最豐富的是一氧化碳、碳原子和氨。

在他們的新論文中，Krasnokutski和同事表明，氣體云中的這些反應可能會導致碳在宇宙塵埃顆粒上的凝聚，并形成被稱為氨基烯酮（aminoketenes）的小分子。這些氨基烯酮將自發地連接起來，形成一種非常簡單的肽，稱為聚甘氨酸（polyglycine）。通過跳過氨基酸的形成，反應可以自發進行，不需要來自環境的能量。通過跳過形成氨基酸這一步驟，反應可以自發進行，無需外界能量。

為了驗證他們的說法，研究人員通過實驗模擬了分子云中的條件。在超高真空室內，他們通過將一氧化碳和氨沉積在冷卻至﹣263℃的基板上來模擬宇宙塵埃顆粒的冰冷表面。然后他們將碳原子沉積在這個冰層之上，以模擬它們在分子云內的凝聚。化學分析證實，真空模擬的確產生了各種形態的聚甘氨酸，鏈長可達10或11個亞基。

研究人員提出假設，數十億年前，當宇宙塵埃結合在一起形成小行星和彗星時，塵埃上的簡單肽可能會搭隕石和其他撞擊物的便車到達地球。無數其他星球上可能也發生過同樣的事情。

從肽分子到生命的鴻溝

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美國航空航天局（NASA）戈達德航天中心（Goddard Space Flight Center）的天體生物學家Daniel Glavin稱，運送至地球及其他星球中的肽“必將為生命形成提供一個開端”。但是“我認為星際冰辰化學與地球生命之間存在鴻溝。”

首先，這些肽分子必須承受宇宙旅行的危險，從輻射到小行星內的水暴露，均會分解肽分子。然后，它們必須在行星撞擊的影響下幸存下來。Glavin說，它們即使經受住了重重考驗，仍將必須經歷大量化學演變變得足夠大，才能折疊成對生物化學有用的蛋白質。

是否有證據能夠證明這種情況真實發生過？天體生物學家在隕石中發現了包括氨基酸在內的許多小分子，并且2002年的一項研究發現了兩顆隕石，其中都含有由兩種氨基酸組成的極小的簡單肽分子。但研究人員尚未發現其他令人信服的證據能夠證明隕石或小行星、彗星樣本中存在此類肽分子和蛋白質。太空巖石中幾乎完全沒有相對較小的肽究竟意味著它們根本不存在，還是只是我們還未檢測出它們，目前尚無定論。

但是，Glavin稱，Krasnokutski的工作可以鼓勵更多的科學家真正開始在地外物質中尋找這些更復雜的分子。例如，明年NASA的OSIRIS-REx航天器預計將從小行星Bennu帶回樣品，Glavin和他的團隊計劃對這類分子進行檢測。

研究人員現在正計劃測試更大的肽或不同類型的肽是否能在分子云中形成。Krasnokutski說，星際介質中的其他化學物質和高能光子也許能夠觸發更大和更復雜的分子的形成。他們希望從實驗室的一隅窺探分子云的奧秘，見證肽鏈變得越來越長，直到某天由自然的鬼斧神工折疊成美麗的蛋白質，迸發出無窮的潛力。

翻譯：陳妍希

審校：武大可

引進來源：quantamagazine

本文來自：中國數字科技館

標簽： 研究人員 宇宙塵埃 生命起源 聚甘氨酸 一氧化碳