教科書之外

蛋白質先,還是RNA先?

從冰箱的發展史,我推論生命起源應該先有蛋白質,才有核酸。

撰文/、插畫/陳文盛

教科書之外

蛋白質先,還是RNA先?

從冰箱的發展史,我推論生命起源應該先有蛋白質,才有核酸。

撰文/、插畫/陳文盛


小時候,爸爸買了一部冰箱。它很原始,只是放一大塊冰在上層,來降低下層食物的溫度,不必插電也無法溫控,你得不時添加冰塊。後來使用壓縮馬達的電冰箱出現,效率提高,可以溫控了。溫控是靠兩條不同膨脹係數的金屬構成的複合棒,隨溫度的變化彎曲來控制馬達的開關。不過這老古董機制現在也沒人用了,取而代之的是微處理器的數位程式調控,除了溫度、燈光、除霜、製冰等功能,近年來物聯網的加入,讓冰箱具備了追蹤與訂購食物、協助烹飪和家庭通訊等高階智能。


冰箱的發展史反映了工業的演化趨勢:最早出現的是單純的硬體,只有基本功能;接下來效率提高,可以類比式調控;最後進入數位式軟體系統,提供多樣的精密調控程式。生命的起源與演化不也是如此嗎?最早出現的生物效率一定非常低,且沒有受到什麼調控,後來漸漸發展出更高的效率和更細膩的調控,甚至近乎奇蹟地出現可以反覆使用的遺傳程式(基因)和編碼系統。根據這樣的觀點,我認為生命的起源是先有蛋白質(硬體)才有核酸(軟體),不管是RNA或DNA。


「蛋白質先」的觀點不符合目前主流的「RNA世界」假說。這個假說認為RNA是最早的生命分子,蛋白質和DNA後來才加入。在原始的RNA世界裡,RNA一方面攜帶遺傳訊息,一方面和蛋白質一樣具有酶的功能,不但催化一些生化反應,也催化自我的複製。這假說認為DNA催化能力不足、蛋白質又不能自我複製,應該是後來才加入生命的陣營:DNA比RNA穩定,取代RNA擔當遺傳訊息攜帶者;蛋白質的多樣性和催化能力遠強過RNA,取代絕大部份的催化角色。


所謂「RNA有複製能力」,是指科學家在試管中進行人工演化,可從數量如天文數字般的RNA分子中篩選出特定序列的長RNA(百餘個核苷酸),它們可催化合成一小段互補的多核苷酸(十餘個核苷酸)。合成過程需要RNA分子當模板進行轉錄,並非合成和本身一模一樣的分子,所以這些RNA並不算真正自我複製。


我們已經很清楚,蛋白質在細胞中如何藉由信使RNA(mRNA)轉譯合成。其實蛋白質也可以不依賴mRNA和核糖體,獨立合成多肽。很多具有特殊功能的多肽,例如放線菌素D、萬古黴素、博萊黴素和環孢素,都是由特殊酶系統合成。這些酶系統通常是幾個不同的酶組裝起來,兼具模板和催化兩項功能,把胺基酸依照特定序列連結起來,長度為2~48個胺基酸。自我複製的蛋白質和自我複製的RNA一樣仍未被發現。


最早出現的生命分子不太可能會忠實自我複製,它們可能只會合成同類的分子,之後擴大的族群中或許出現相互合成的分子:兩種分子,你合成我、我合成你,一如DNA雙股互補的半保留複製。不過DNA雙股只是互為模板,催化仍需要酶(蛋白質);互補的蛋白質則是互相擔任酶,來合成對方,藉此達到複製的效果。這樣持續擴大的蛋白質世界,便有潛力出現擁有不同功能的酶、進行各種反應,為核酸的資訊系統鋪路。


這只是我觀察冰箱的發展史,引出對幾十億年前生命起源情況的臆想。