为什么所有的蛋白质都是“左撇子”?新理论可以解开生命起源之谜

　　

生命的核心存在着一种偏见，它的起源一直是个谜。今天几乎所有构成蛋白质的氨基酸都以镜像的形式存在，就像右手手套和左手手套一样。但是生命只使用左旋，尽管这两种形式在地球早期应该同样丰富，并且可以很容易地在实验室中联系起来。在原始的汤里，一定有什么东西使天平偏向了左派，并从那以后一直保持着这种偏见。

现在，三位美国研究人员提出了一种新颖的解释。今天在《Nature》杂志上，他们报告说，通过监测被称为二肽的氨基酸对的形成速率，他们发现了多种机制，最终促进了具有相同手性的二肽的形成。

“这很有说服力，”生命起源研究的先驱、索尔克生物研究所(Salk Institute for Biological Studies)所长Gerald Joyce说，他没有参与这项研究。研究人员下一步希望了解是否同样的机制使较大的肽和蛋白质偏向左旋，以及它是否可以解释RNA和DNA中相反的偏向，它们的碱基中不可避免地含有右旋糖。如果是这样的话，新的机制可以解释生命本身是如何呈现出一种镜像形式而不是另一种镜像形式的。

近几十年来，人们对生命的手性提出了几种解释，因为人们知道生命倾向于某种特定的手性。例如，可能是早期地球的种子的陨石，已经被证明含有丰富的左手手性氨基酸，可能是因为它们的内容物暴露在偏振光下。或者，早期地球上的磁场可能对早期生物分子产生了影响。但是，即使某种外力赋予了最初的偏见，是什么传播了它?

一条线索来自伦敦大学学院生命起源化学家Matthew Powner及其同事最近的研究。在过去的5年里，Powner的团队发现了一组可能在地球早期就存在的硫基分子，并展示了它们如何轻易地将单个氨基酸与称为氨基腈的氨基酸前体连接起来，形成二肽。因为这些反应发生在水中，并与生物体中发现的所有氨基酸一起发生作用，所以它们为第一批蛋白质的形成提供了一个合理的途径。

Powner的团队并没有检查其硫基催化剂是否具有手性偏向。这就是斯克里普斯研究所的生命起源化学家Donna Blackmond和她的同事Min Deng、Jinhan Yu接过接力棒的地方。他们测试了两种含硫化合物，以观察催化剂在形成二肽时是否对手性敏感。是的，但不是Blackmond所期望的那样。这些催化剂产生的“杂手性”二肽——那些将左旋氨基酸(L)与右旋氨基酸(D)配对的二肽——大约是完全手性产物的四倍。“我们认为这是个坏消息，”Blackmond说，因为它表明，即使早期地球上的氨基酸一开始就有偏差，它也会在蛋白质形成时被打乱。

但随着Blackmond和她的同事们深入研究，消息变得更好了。在一系列的实验中，斯克里普斯的研究人员从L和D氨基酸的扭曲比例开始——例如，60%的L和40%的D。L,D和D,L异手性二肽形成得最快，同时它们从混合物中抽出了等量的L和D氨基酸。由于基线偏差，最终在未反应的氨基酸池中保留了Ls的优势，从而提高了形成完全左手二肽的可能性。“这就像多米诺骨牌效应，”Powner说。第一个异手性反应最终促使更多的同手性反应形成。“这是一个适用于所有氨基酸的一般过程，”Powner说。Joyce补充道:“这只是数学问题。”

后续实验表明，第二种偏见放大了这种影响。研究小组发现，异手性二肽比同手性二肽更快地从溶液中沉淀出来，加速了同手性L、L或D、D对的相对丰度，这取决于开始的混合物。Blackmond说，这种降水偏差发生的原因尚不清楚。然而，Joyce说，连同其他效应，“它完美地符合(实验)数据。”Blackmond补充道:“错误的答案变成了正确的答案，让我们得到了同手性。”

目前，这种对特定手性的推动只在二肽中表现出来。但Blackmond说，初步研究表明，当硫催化剂将短肽拼接成更长的肽链时，同样的偏倚过程也会发生。

Joyce认为，同样的数学方法也可能有助于解释生命的遗传分子是如何获得手性的。他说:“这可能发生在其他所有的东西上，比如RNA。”Joyce说，也许这只是一个统计上的抛硬币，导致了对单手性积木的最初偏见的形成。但一旦这枚硬币翻转，其他硬币也会随之翻转。”