数十亿年前，在出现野兽、细菌或任何生物之前，RNA 就已经存在。这些分子可能与氨基酸和其他基本生物分子一起旋转，在一个原本没有生命的行星熔炉上合并和分离。

然后，不知何故，一些特别的东西出现了：一台简单的机器，一个由 RNA 制成的口袋，能够将氨基酸彼此相邻放置，并可能将它们连接成链。这是将逐渐演变成核糖体的大分子，核糖体是负责将遗传信息转化为蛋白质的 RNA-蛋白质复合物。它的诞生——其细节仍然是假设的——将在这个由 RNA 主导的生命起源前的世界中产生根本性的转变，为我们所知的所有生命提供一种关键成分。以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所的结构生物学家 Ada Yonath 和她的团队在近二十年前首次将这种“原核糖体”概念概念化，当时她和其他人确定了现代核糖体的结构，这一壮举后来确保了 Yonath分享了 2009 年诺贝尔化学奖。

(资料图)

但是为了巩固假设的原核糖体的案例，Yonath 和她的实验室必须建造它。

这是一个其他科学家感兴趣的项目。该实验室在过去两年取得的成就——创造了一种原始的 RNA 机器，可以将两个氨基酸连接在一起1 , 2——引起了一阵兴奋。由东京理科大学分子生物学家 Koji Tamura 单独领导的日本一个小组成功地创建了一个类似的功能性原核糖体3。“这有力地支持了 Ada 的原核糖体想法，”加利福尼亚州拉霍亚斯克里普斯研究所的生物化学家 Paul Schimmel 说。“我一直保持开放的心态;开放的思想正在变得更有说服力。”

尽管疑问和警告依然存在，但 Yonath 和 Tamura 的工作似乎概括了从原始有机分子到所有生物最后共同祖先使用的核糖体的道路上的一个里程碑。这不是一项简单的任务：在 Yonath 的团队中，该项目从一个研究人员传递到另一个研究人员，并用了超过 15 年的时间才取得成功。这项工作现在为生命起源的科学家们打开了大门，以补充更多细节。其他人正在研究原核糖体或类似的东西，作为创造新型生物分子的工具。

“这应该是更多研究领域的起点，”在过去几年领导 Yonath 小组的博士后研究员 Tanaya Bose 说。

水晶灵感

几十年来，科学家们一直在尝试重现生物分子的化学起源。70 年前，诺伊州芝加哥大学的化学家斯坦利·米勒 (Stanley Miller) 点燃了一种混合气体，制造出了有机化合物4。包括 Carl Woese 和 Francis Crick 在内的研究人员提出，核糖体最初可能是一个完全由 RNA 构成的分子，这一观点在 40 年前得到支持，并证明 RNA 可以催化反应5 , 6。这导致了“RNA 世界”假说，该假说描述了一个时间，在细胞或实际生命出现之前，RNA 会复制并催化反应7. RNA 世界的想法在过去十年中受到质疑;许多科学家现在怀疑各种生物分子，包括基本蛋白质、脂质和代谢物，可能与核酸一起存在。

Yonath 怀疑早期地球上存在大量 RNA。“它们中的大多数已经不存在了，因为它们很小而且没有用。” 她说，原核糖体是最持久的。

Yonath 和她的同事在 2000 年代初期发表了构成核糖体的两个蛋白质-RNA 亚基的高分辨率结构8、9. 这些例子来自极端微生物。随着来自其他生物体的核糖体结构的发表，Yonath 小组的科学顾问 Ilana Agmon 注意到一些她发现的引人注目的东西。在大亚基的核心深处是一个半对称片段。该区域包含一个口袋状结构，由核糖体 RNA 构成，称为肽基转移酶中心 (PTC)。在 mRNA 翻译成蛋白质的过程中，当两个氨基酸被放置在 PTC 中时，它为它们点击在一起创造了条件。而且，尽管结构的特定核苷酸序列因物种而异，但每个例子中的形状都是相同的，这表明它对核糖体维持生命的能力至关重要(参见“问题的核心”)。

2006 年，当 Yonath 开始询问她的团队有关核糖体进化的问题时，Agmon 建议仔细观​​察包含 PTC 的半对称区域。“我们推测这是原核糖体，这是核糖体进化而来的部分，”从一开始就参与该项目的高级科学家 Anat Bashan 回忆道。但是，他们定位为假定的原核糖体的区域由 178 个核糖核苷酸组装而成，Yonath 指出，这将是一个非常大的结构，可以在原始地球上形成并完全形成。部分基于她观察到的对称性，Agmon 提出了一个模型，该模型需要 2 个相似的 L 形 60 和 61 个核苷酸的 RNA。该团队认为这是早期地球上出现的更合理大小的分子。

那种大小的碎片当然是合理的。佛罗里达州 Alachua 应用分子进化基金会的生物化学家 Elisa Biondi 和她的同事设法在称为岩石玻璃的材料上合成了约 100-300 个碱基长的 RNA，这种材料可能是由于火山活动或流星撞击形成的益生元世界10 .

但并非所有人都相信 Yonath 和 Agmon 的短片是自发产生的。法国斯特拉斯堡大学的有机化学家 Joseph Moran 赞扬了 Yonath 的成就，但怀疑原核糖体是突然出现的。“它必须来自更简单的东西，”他说。

东兰辛密歇根州立大学的生物学家罗伯特·鲁特-伯恩斯坦 (Robert Root-Bernstein) 对于那些更简单的东西可能是什么有一个理论：转移 RNA (tRNA)。在现代核糖体中，氨基酸进入附着在与 mRNA 上的三字母代码相匹配的 tRNA 上的 PTC。这些代码决定了蛋白质中接下来是哪个氨基酸。对于 Root-Bernstein 和其他人来说，PTC 核心看起来很像四个 tRNA 连接在一起。他指出，tRNA 不只是将氨基酸输送到核糖体;它们是多功能分子，可以完成各种任务，例如感知营养和沉默基因。也许它们在原核糖体之前就具有某种功能，然后为该结构提供了构建块。

非凡的证据

不管假想的原核糖体是如何形成的，在 Agmon 和 Yonath 最初设想它的时候，都没有实验证据表明它可能像他们认为的那样存在和工作。原核糖体假说假设这些早期 RNA 袋中的一个可以将氨基酸连接在一起，然后它进化成具有相同功能的核糖体。与《自然》杂志交谈过的科学家们表示，这是一个不错的想法，但并非必然。亚特兰大佐治亚理工学院的进化生物学家 Anton Petrov 说：“这似乎有道理出现了。

“这是来自 Yonath 的一个非常大胆和富有想象力的建议，”英国剑桥医学研究委员会分子生物学实验室的化学家 John Sutherland 说。