PNAS突破！科學家用量子化學揭示為什麼生命由20種氨基酸組成？

一個由約翰內斯·古騰堡的美因茨大學病理生物化學系Matthias Granold博士和Bernd Moosmann教授領導的研究團隊使用量子化學的方法解決了生物化學中一個最古老的謎題。他們解釋了今天的生命為什麼都是由20個氨基酸組成的，他們還發現通過最先出現的13個氨基酸就可以組成可以發揮功能的蛋白質。決定因素在於新的氨基酸具有更大的化學活性，而不在於其新的結構。這項研究成果於近日發表在《PNAS》上，研究人員還推測大氣中的氧氣含量增加導致了組成蛋白質的氨基酸增多。

圖片來源：Jason Drees: Biodesign Institute

地球上所有的生命都基於20個氨基酸，DNA通過控制氨基酸合成蛋白質。DNA需要3個鹼基就可以編碼出一個氨基酸。「研究人員一直很困惑為什麼進化選擇了這20個氨基酸用於基因編碼。」 Bernd Moosmann教授說道。「而最新出現的7個氨基酸是最難解釋的，因為僅僅使用最先出現的10-13個氨基酸就可以形成我們需要的蛋白質。」

在這項新研究中，研究人員比較了組成生命的20個氨基酸、來自太空中的其他氨基酸以及現代參考生物分子的量子化學信性質。他們發現新出現的氨基酸變得更柔軟——活性更高或者更容易發生反應。「太空中古老的化學物質到我們今天的生物化學，出現的最大的變化就是氨基酸柔性增加，因此具有更高的反應活性以形成蛋白質。」 Bernd Moosmann解釋道。研究人員還通過生物化學實驗驗證了他們理論計算的結果。

然而還是有一些問題亟待解決：如為什麼這些柔軟的氨基酸不是最先進入工具箱的？這些氨基酸與什麼發生反應？基於他們的結果，研究人員認為至少有一些新的氨基酸，尤其是蛋氨酸、色氨酸和硒半胱氨酸的出現是由於大氣中的氧氣含量增加。氧氣促進毒性自由基形成，給生物體和細胞帶來了大量的氧化應激壓力。這些新氨基酸可以與自由基發生反應從而有效捕捉自由基。這些新氨基酸被氧化後可以更容易地恢復，從而保護那些氧化損傷後很難修復的重要生物結構。因此，新的氨基酸為遠古生物的生存帶來了優勢，它們能夠在氧化能力更強的環境中生存，從而給地球帶來了新的世界。「從這個角度講，我們可以認為是氧氣在為遺傳密碼添磚加瓦。」（生物谷Bioon.com）

參考資料：

Matthias Granold, Parvana Hajieva, Monica Ioana To?a, Florin-Dan Irimie, Bernd Moosmann. Modern diversification of the amino acid repertoire driven by oxygen. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018; 115 (1): 41 DOI: 10.1073/pnas.1717100115

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