生命最早期如何用如此有限的"工具"构建复杂的生物机器？一项新研究探索了蛋白质最基础的构建模块——曾仅包含现代氨基酸种类一半的简单分子——如何仍能形成生命所依赖的精密结构。
发表在《化学趋势》期刊上的论文《可折叠性的边界：简化蛋白质的启示》是对六十年蛋白质研究的元分析，揭示古代蛋白质可能比先前认为的更为复杂且具有动态性。
该研究由佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）研究人员林恩·卡梅林（Lynn Kamerlin）和定量生物科学博士生阿尔菲-路易丝·布朗利斯（Alfie-Louise Brownless）参与完成。林恩·卡梅林是化学与生物分子学院教授，担任乔治亚研究联盟分子设计瓦瑟-伍利讲席教授。
合著者还包括东京科学研究所研究生 Koh Seya，以及同时担任东京科学研究所特聘副教授和蓝色大理石太空科学研究所附属研究员的利亚姆·M·隆戈（Liam M. Longo）。
这项研究对生命起源探索、宇宙生命搜寻以及尖端医学创新均具深远意义。"科学界最大的未解之谜之一是生命如何起源，"作为研究通讯作者的卡梅林表示，"理解首批类蛋白分子如何形成，以及最早期蛋白质的形态，是解答这一谜题的关键部分。"
"蛋白质驱动着我们的身体乃至地球所有生命，"她补充道，"简言之，蛋白质的演化使我们能够进行此刻的对话。"
蛋白质折叠悖论
若蛋白质是生命的支架，氨基酸则是构成该支架的组件。"如今，单个蛋白质通常由约300个氨基酸组成的链条构成，涉及20种不同类型的氨基酸，"卡梅林指出。当这些链条扭曲成特定三维形状时，蛋白质即完成折叠，形成对生物学至关重要的结构。
然而，尽管这些折叠至关重要，蛋白质究竟如何"知晓"折叠方向仍是未解之谜。"我们知道蛋白质并非随机折叠，"卡梅林解释，"因为若随机尝试所有可能构型，所需时间将远超宇宙年龄。"
这一生物学核心难题被称为"莱文塔尔悖论"，揭示了根本性矛盾：蛋白质能以惊人速度形成特定组合——但如同纸张自发折叠成 origami 天鹅，研究人员仍不解蛋白质"选择"折叠方式的机制。
"我们能预测蛋白质形态，却无法说明其形成过程，"卡梅林补充道，"这正是我们探索的方向：早期小型蛋白质如何演变为支撑当今地球所有生命的复杂蛋白质。"
简单词汇，精密结构
早期蛋白质可能仅能获取现代氨基酸种类的一半。"早期地球可能仅有10-12种氨基酸，"卡梅林表示。如同仅用字母"A"至"L"书写故事，研究者曾假设蛋白质受限于如此有限的氨基酸"字母表"，其"词汇量"必然受限。
"蛋白质折叠存在语言学规律，"卡梅林解释，"这种规律隐含于其结构中。我们的研究旨在理解支配蛋白质折叠的规则——即其语法与词汇。"
他们发现的语法规则令人意外：通过创造性技术结合环境支持，有限氨基酸组合仍能形成复杂结构。
"我们证实，即便工具极其简单，复杂折叠结构仍可形成——特定环境如高盐条件能有效支持该过程，"卡梅林分享道，"早期蛋白质还能像乐高积木般交联并相互结合，共同构建更复杂结构。"
开拓性蛋白质研究
目前团队正模拟早期地球环境开展实验，旨在探明这些区域如何孕育出当今复杂的蛋白质。"这项研究也与佐治亚理工学院的前沿太空研究紧密关联，"卡梅林表示，"尽管我们聚焦地球早期生命，但研究成果将指导我们在地外星球搜寻生命证据的最佳方向。"
卡梅林专精于创建计算机模型模拟多种场景，从而快速高效地验证大量理论。其中最具说服力的理论将由她在东京科学研究所的合作者兼共同作者利亚姆·隆戈（Liam Longo）通过实验室实验进一步验证。
蛋白质折叠研究也处于医学创新前沿，从诊断工具到癌症治疗及神经退行性疾病均有应用。"从更宏观视角看，我们致力于探索：借助AI等计算工具，我们能设计什么、压力测试什么、重建什么，"卡梅林表示，"因为若能理解蛋白质折叠机制，人类便获得了设计蛋白质的能力。"
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