细胞形成之前,生命在何处进化?

粘土——看似贫瘠的矿物质混合物或泥土——可能是地球上生命的进化之地,或者至少是生命进化过程中复杂生化分子的诞生地。康奈尔大学的科学家们近期在自然出版集团出版的Scientific Reports杂志上报道了相关的研究进展

该项研究由康奈尔大学生物工程和环境工程系罗丹教授领衔的研究团队完成,罗丹教授也是康奈尔大学Kavli纳米科学研究所的成员。罗丹教授指出:“我们认为,在早期的地质历史中,粘土水凝胶为生物分子和生化反应提供了必要的反应场所。”

研究者们发现,粘土可以和模拟的古海水自动生成水凝胶——像海绵一样提供内部空间并吸收液体。在数十亿年的进化过程中,化学分子可能被约束在这些空间里,从而能够进行复杂的反应,不断进化成蛋白质、DNA和最终所有的分子机器,为第一个原始活细胞奠定基础。在进化过程中,粘土水凝胶可以约束、控制和保护这些化学反应,直到细胞膜形成。

为了进一步验证这一想法,研究者们在粘土水凝胶中不用细胞,成功地合成了多种蛋白质。罗丹教授的研究团队先前曾使用DNA水凝胶作为无细胞蛋白质生产的工厂。他们在海绵状的DNA水凝胶中充满DNA、氨基酸、相关的酶和一些细胞内的分子机器,蛋白质就可以由编码的DNA通过转录和翻译而产生,完全不需要活细胞。这种水凝胶里无细胞生产出来的蛋白质和在发酵罐里活细胞中产生的蛋白质一模一样。

为了利用这一无细胞过程生产大量的有用蛋白质(比如蛋白质药物),则需要大量的水凝胶。因此,研究人员开始寻找更便宜的方式来制备水凝胶。罗丹教授研究组的资深博士后仰大勇博士发现了海水和特定的粘土能形成水凝胶的现象。为什么考虑粘土?“土啊,这太便宜了”,罗丹教授指出。而且,出乎意料的是,仰博士进一步发现,粘土水凝胶能够神奇般地增加蛋白质的产量。

如此,科学家们意识到他们的发现可能为一个在生命起源中长期存在的问题——生物分子到底在什么地方进化——提供了答案。

已故的康奈尔大学科学家Carl Sagan和其他研究者的实验显示氨基酸和其他简单的生物分子可能在原始海洋里形成,从闪电或火山口获取能量。但在浩渺无际的海洋里,这些简单分子如何能聚集在一起来组装成更复杂的结构?这些更复杂的结构又能如何在恶劣的原始环境中被保护起来不被破环?以前有些科学家们认为脂肪小球或聚合物小球有可能是细胞膜的前体。但粘土的可能性也很大,因为已经知道,生物分子非常倾向于附着在粘土表面。而且当今活细胞的内部——细胞质,就像水凝胶。罗丹教授强调,粘土水凝胶能够更好地保护生物分子不被核酸酶破坏。

地质历史也提供了更进一步的证据。粘土出现的地质时间,正好和生物分子开始形成没有细胞膜的初始类细胞(Protocell)的时间相吻合。当今由细胞膜包裹的细胞就是从初始类细胞进化而来的。所以,生物事件与地质事件很巧妙地相辅相成。

目前仍不清楚这些生物机器是如何经过数十亿年的进化形成了细胞。罗丹教授的研究团队正在进行更深入的研究,解释在粘土水凝胶中进化是如何发展的。他的团队还在拓展无细胞蛋白生产的产业化应用(如蛋白质药物)。

这项工作的合作者是澳大利亚昆士兰大学逯高清教授的研究团队。