科学家们已经开发出一种人造蛋白质,可以为早期地球的化学进化提供新的见解。
所有细胞都需要能量才能生存,但由于与今天广泛的化学多样性相比,地球早期可用的化学物质种类非常有限,多细胞生物体构建构成我们世界的复杂有机结构的能量要少得多。
发表在《美国国家科学院院刊》上的新研究提供了证据,证明地球原始汤中的许多生物严重依赖金属分子,特别是镍,来帮助储存和消耗能量。
目前关于微生物生命如何产生的理论表明,虽然细胞使用二氧化碳和氢气作为燃料来源,但它们也居住在富含铁和镍等还原金属的地区。这些最初的化学反应也主要由一种称为乙酰辅酶A合酶或ACS的酶驱动,这是一种对能量产生和形成新化学键至关重要的分子。
但多年来,该领域的科学家们一直对这种酶的实际工作方式存在分歧——它引发的化学反应是否可以随机组装,或者其化学结构是否遵循严格的路线图。该研究的合著者、俄亥俄州立大学化学和生物化学教授汉娜·沙法特说,她的团队的这种酶的人工模型揭示了很多关于其原生祖先在地球最初的数十亿年中的行为方式。
与科学家在自然界中发现的相比,这种模型蛋白更容易研究和操作。正因为如此,该团队能够得出结论,事实上,ACS确实必须一步一步地构建分子。这些信息对于了解地球上的有机化学如何开始成熟至关重要。
沙法特说:“我们没有把酶分解掉,而是试图从下到上构建它。并且知道你必须以正确的顺序做事,基本上可以作为如何在实验室中重新创建它的指南。”
由于科学家希望了解原始汤中可能首先出现的东西,这项研究表明,即使是像他们的模型这样的简单酶也可以支持早期生命。从事该项目近五年的沙法特表示,虽然这项研究确实遇到了一些挑战,但从长远来看,团队吸取的教训是值得的。
除了对理解原始化学很重要外,他们的发现对包括能源部门在内的其他领域也有广泛的影响。
她说:“如果我们能够理解大自然是如何在数十亿年前发现如何使用这些化合物的,我们就可以将其中一些相同的想法用于我们自己的替代能源设备。”
目前,能源部门面临的最大挑战之一是制造液体燃料。然而,这项研究可能是寻找可以替代人类过度使用的汽油、石油等天然能源的第一步。
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