PNAS突破！科学家用量子化学揭示为什么生命由20种氨基酸组成？

2018年2月6日讯 /生物谷BIOON /——一个由约翰内斯·古腾堡的美因茨大学病理生物化学系Matthias Granold博士和Bernd Moosmann教授领导的研究团队使用量子化学的方法解决了生物化学中一个最古老的谜题。他们解释了今天的生命为什么都是由20个氨基酸组成的，他们还发现通过最先出现的13个氨基酸就可以组成可以发挥功能的蛋白质。决定因素在于新的氨基酸具有更大的化学活性，而不在于其新的结构。这项研究成果于近日发表在《PNAS》上，研究人员还推测大气中的氧气含量增加导致了组成蛋白质的氨基酸增多。

图片来源：Jason Drees: Biodesign Institute

地球上所有的生命都基于20个氨基酸，DNA通过控制氨基酸合成蛋白质。DNA需要3个碱基就可以编码出一个氨基酸。“研究人员一直很困惑为什么进化选择了这20个氨基酸用于基因编码。” Bernd Moosmann教授说道。“而最新出现的7个氨基酸是最难解释的，因为仅仅使用最先出现的10-13个氨基酸就可以形成我们需要的蛋白质。”

在这项新研究中，研究人员比较了组成生命的20个氨基酸、来自太空中的其他氨基酸以及现代参考生物分子的量子化学信性质。他们发现新出现的氨基酸变得更柔软——活性更高或者更容易发生反应。“太空中古老的化学物质到我们今天的生物化学，出现的最大的变化就是氨基酸柔性增加，因此具有更高的反应活性以形成蛋白质。” Bernd Moosmann解释道。研究人员还通过生物化学实验验证了他们理论计算的结果。

然而还是有一些问题亟待解决：如为什么这些柔软的氨基酸不是最先进入工具箱的？这些氨基酸与什么发生反应？基于他们的结果，研究人员认为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现是由于大气中的氧气含量增加。氧气促进毒性自由基形成，给生物体和细胞带来了大量的氧化应激压力。这些新氨基酸可以与自由基发生反应从而有效捕捉自由基。这些新氨基酸被氧化后可以更容易地恢复，从而保护那些氧化损伤后很难修复的重要生物结构。因此，新的氨基酸为远古生物的生存带来了优势，它们能够在氧化能力更强的环境中生存，从而给地球带来了新的世界。“从这个角度讲，我们可以认为是氧气在为遗传密码添砖加瓦。”