为什么所有的生命都使用相同的20种氨基酸?

在生命起源之前的地球上，蛋白质碎片形成的方式，揭示了为什么所有生物都使用同一组20种氨基酸。美国的研究人员发现，蛋白质源性氨基酸——那些用来制造天然蛋白质的氨基酸——比那些结构相似但生命不使用的氨基酸更容易连接成被称为低聚物的小肽链。这些化学性质可能使它们更有可能在最早的生命形式进化过程中被结合到蛋白质中。

“在生命起源前的地球上，可能有比生物学最终选择的20种更多的氨基酸，”他说路加福音情夫来自拉霍亚的斯克里普斯研究所，他和罗兰·威廉姆斯在佐治亚理工学院。“我们之所以知道这一点，是因为模拟早期地球的实验，也因为在陨石中发现了非蛋白源性氨基酸，有时含量比蛋白质中使用的氨基酸高得多。”

长期以来，生命起源科学家一直被围绕蛋白质进化的有趣问题所吸引。“为什么生物学使用20个氨基酸，而不是12个或40个?”为什么大自然选择了这20种特殊的氨基酸?莱曼说。“我们发现，基于高聚合反应性和较少的副反应，纯化学因素可能促成了这种选择过程。”

他解释说，该小组对三种具有正电荷侧链的蛋白质原氨基酸——赖氨酸、精氨酸和组氨酸——特别感兴趣，因为它们参与了一个更广泛的研究项目，研究早期蛋白质和早期核酸之间的共同进化。“基于之前的工作，我们知道肽和脱肽可以通过简单地干燥氨基酸和果酸的混合物来产生，这两种物质都是在生命起源前的模拟反应中产生的，在陨石上也有发现，”Leman说。“我们决定在这些生物前聚合反应中尝试一组带正电的氨基酸。”

研究人员选择了三种带正电荷的蛋白质原氨基酸，以及三种结构相似的带正电荷的氨基酸，这些氨基酸被认为在生物起源前的地球上非常丰富，但在蛋白质中没有发现。他们将每种氨基酸与羟基酸(乙醇酸或乳酸)在85°C下加热一周，然后分析残留物，看看产生了什么。

莱曼说:“我们认为，总的来说，所有这些氨基酸的反应都是相似的，因为它们的结构相似。”但是，虽然几乎所有的实验都产生了低聚物，但与非蛋白源性氨基酸相比，这三种蛋白源性氨基酸反应更有效，产生的副产物更少。这真的让我很吃惊。我们想“这是真的吗?”莱曼说。

研究小组建立了额外的反应来验证结果，每个反应都包含两种类型的氨基酸——一种是蛋白质源性的，一种不是——它们可以在反应中竞争。他们发现，与他们最初的结果一致，蛋白质源性氨基酸优于非蛋白质源性氨基酸。

Leman说:“这……强调了仍然有隐藏的化学和物理因素在从生命起源汤到生命的过渡中发挥了重要作用。”他补充说，现在该小组正在研究RNA和这些反应中产生的带正电的低聚物之间的相互作用。

“这是一项有趣的工作，展示了聚合化学的一些细微差别，以及它们可能如何影响蛋白质进化，”评论道吉姆劈开他在日本东京工业大学(Tokyo Institute of Technology)研究生命起源地球化学。他补充说，蛋白质进化的故事还有更多，然而，先前的研究表明，赖氨酸和组氨酸是后来添加到原始细胞用来制造蛋白质的氨基酸组中的。他说:“也就是说，我们对早期生物进化还有很多不了解的地方，这项非常出色的工作有助于填补这个高度投机性研究领域的一些空白。”