2019年12月3日 星期二

PNAS:無膜的聚酯微滴在生命形成時可起隔離作用

Membraneless polyester microdroplets as primordial compartments at the origins of life
T.Z. Jia et al. (2019)

無膜的聚酯微滴可以在生命形成時發揮隔離功能

前陣子我參加了中研院生物多樣性中心舉辦的小型演講,在場的聽眾不多,但討論挺熱絡的。講者是東京工業大學地球生命科學研究所 (Early Life Science Institue, ELSI) 的 Dr. Tony Z. Jia ,他在介紹近期的研究之餘,也梳理了數十年來生命起源問題的研究脈絡。

會後,他提到明年的天文生物學研究生大會 (Astrobiology Graduate Conference, AbGradCon) 將在東京舉辦。AbGradCon 是以學生和年輕研究者為主的會議,往年都在歐美舉行,但這次將由 ELSI 主辦,所以他也建議對天文生物學或生命起源問題有興趣的同學可以把握機會。

目前生命起源問題的重要結果多半得自於歐美學者,亞洲的研究進展仍在起步。ELSI 是我所知東亞唯一以探討生命起源為宗旨的研究機構,而任職於 ELSI 的 Dr. Jia 則是 Jack Szostak 的門生。Szostak 最著名的成就是發現端粒酶和其保護染色體的機制,他也因此與 Elizabeth Blackburn 和 Carol Greider 共同獲頒 2009 年的諾貝爾生理醫學獎。除了遺傳學與分子生物學的貢獻,Szostak 亦是研究生命起源的傑出學者,他的團隊在完善 RNA 世界假說上有不少斬獲。

Szostak 團隊的主要目標是以 RNA 為基礎,從生命原料打造出可以自主複製的簡單細胞。他們的策略是營造不同的選擇壓力讓 RNA 分子在試管內彼此競爭,壓縮化學演化所需的隨機過程,以在合理的時間內製造出具有快速複製、穩定結構或催化功能等特殊性質的 RNA。Szostak 團隊試圖利用體外篩選 (in vitro selection) ,從數量龐大的人工演化池,找到能自我複製的 RNA 。

然而游離的 RNA 仍不足以構成完整的生命。 RNA 不僅容易水解,也難以單獨實現細胞增殖所需的各項功能。再則,複製迅速的短序列可能較其他 RNA 優勢,導致開放空間的 RNA 多樣性下降,損害化學演化的效率。所以,除了研究 RNA 本身的特性,Szostak 團隊也積極尋找不同形式和組成的隔離構造,了解它們如何為提供 RNA 獨立的保護空間。

延續 Szostak 團隊的研究背景與目標,Dr. Jia 探討了早期的地球環境中可能形成的隔離構造。他試圖從結構與功能兩層面的證據支持一個假說,亦即在細胞膜出現之前,由果酸形成的聚脂微滴可作為生命形成初期的隔離構造,發揮包覆物質和促進反應的功能。

本文是那次演講與此篇論文的總結。首先,我將說明研究生命起源問題遭逢的困難,接著解釋在欠缺直接證據的情況下,如何以現存生命為線索,演繹生命起源的可能模式與機制。

第二部分,我會列舉前述理論的不足,強調生物分子外的物質亦有機會形成原始生命,並由此切入研究背景,介紹隔離構造對生命的重要性,比較能發揮隔離作用的潛在物質,藉此闡釋果酸或能形成隔離構造的理由。

在陳述了作者的假說之後,我打算從結構和功能兩個角度展示他的論證,再討論聚酯微滴參與生命形成的可能方式,最後探討我們研究生命起源問題的意義。


一、最初的生命長什麼樣子?


1. 我們仍未知道生命最初的模樣為何


自從達爾文在 1871 年給 Joseph D. Hooker 的信件提及「生命起源於溫暖小池塘」的猜想以來 (Darwin Correspondence Project, 2019),對生命起源的科學探討已經持續了將近一百五十年,但至今我們仍不知道最初的生命型態為何。

二十世紀初,Alexander Oparin 和 J. B. S. Haldane 各自奠立了孕育生命的原初湯假說 (primordial soup),隨後  Stanley Miller 和 Harold Urey 透過放電實驗,檢驗了無機物在還原性大氣中形成生物分子的想法。基於 Miller-Urey 的實驗結果,Sidney W. Fox 進一步探討胺基酸形成多肽,並自發組成細胞前體的可能性。

在 Miller 發表論文的同一年,華生與克立克解開 DNA 的雙螺旋結構,核酸於生命起源的重要性也在那時起逐漸受到重視。有別於由下而上的策略(即從原始環境推理生命起源的過程),Carl Woese 試圖以 16S rRNA 基因重建現存生物的系統發生樹,追溯地球生命共同的根源。由於從基部分歧的多屬嗜極生物,Woese 的研究結果也衍生出主張生命形成於深海熱液噴口的鐵硫假說 (Iron–sulfur world theory)。

此外,RNA 兼具催化與遺傳功能的猜想,也隨 Thomas Cech 和 Sidney Altman 發現核酶而印證,催生了 Walter Gilbert 的 RNA 世界假說。為尋找假說的關鍵,Szostak 開始以體外篩選,嘗試在試管裡合成能自我複製的 RNA ……

之後,蛋白質和核酸這兩條探索生命起源的途徑衍伸出代謝優先假說 (metabolism first) 和複製優先假說 (replicator firs)。但就跟其他試圖解釋生命起源的想法一樣,在欠缺直接證據的情況下,不同假說間能達成的共識有限。

2. 找不到生命起源的蹤跡


研究生命起源的困難不只是因為描述生物突現特質的理論有限 (Pross, 2012),也是因為欠缺早期生命的歷史證據。已有三十五億年歷史的燧石沉積層發現的碳質纖維曾被視為最早的生命化石 (Schopf, 1993) ,而 Dodd et al. (2017) 在熱泉沉澱中發現的管狀結構,則把生命出現的可能時間推至四十億年前。

由於憑藉型態與組成分析,難以排除這些結構為自然現象造成的可能性,所以關於生命最早的化石仍有許多爭論 (Brasier et al., 2015; 單, 2017)。即便地質紀錄真實反映了生命的蹤跡,它們展示的皆為較成熟的構造,所以無從追溯無機物演變為原始細胞的過程。

「最早的化石」 (Schopf, 1993)
而另一條探索生命起源的途徑是研究地球生命的系統發生樹,再利用原始生命與當今生命的親緣關係,從基因序列推論最初生命的形式。然而重建數十億年前的資訊已經十分困難,細菌間的水平基因移轉則讓問題更加複雜 (Woese, 2000),因為我們將難以區分一些普遍出現的基因是共祖流傳下來,還是在近代從其他細菌得來的。

至此已經討論了以古生物學和演化學兩種方法來探討生命起源問題的可能性,然而無論何者都無法提供生命形成時的具體資訊。因此,在欠缺直接證據的情況下,欲追溯生命形成的模式與機制,不免要從間接的猜想起步。

3. 現存生命提供了額外的線索


儘管欠缺遺傳學知識和詳盡的化石紀錄,達爾文仍從家禽育種和加拉巴哥群島的觀察,推論出物種形成的機制。所以,即便我們探索過去的能力受限於不全的證據,仍然有機會探索無機物轉變為生命的道理。億萬年的演化雖然抹去生命最初的痕跡,然而當今地球上萬千的生命卻留下額外線索,讓我們得以歸納生命的通性。現存生物的基礎是細胞,而細胞皆具代謝體系、資訊系統和隔離構造三項要素 (Ganti, 2003)。

  • 代謝體系:現存生命以化學滲透或氧化磷酸化等方式產生能源,並透過大大小小的生化循環及反應途徑維持細胞生理運作。生命是高度組織的化學系統,舉凡吸收、合成和分解等維繫系統秩序的行為,皆涉及物質與能量的轉換,所以生命需要能產生能源、驅動物質、排除廢物的代謝體系以維持自身存在。
  • 資訊系統:無論是無性複製還是有性生殖,現存生物多能透過繁殖行為增加族群規模。繁殖是物質在既定規劃下有組織的搭建,生命需要一套系統,紀錄其生長、發育和行動的資訊,指引生命從無秩序的原料,構建出似於己身的新個體。
  • 隔離構造:現存生物的細胞膜由磷脂雙層構成,發揮包覆物質、過濾分子與辨識環境刺激等功能。生命必須與非生命區隔,形成相對獨立的系統,以免秩序在開放空間散失。除了熱力學考量,隔離構造既能約束資訊系統所需分子的位置,也能確保隔間內的物質濃度利於代謝反應發生。
假設現存生命的共同特徵反映了遠祖的特性,在辨識了生命的基礎後,生命起源問題即轉化為這些結構如何在早期的地球環境中形成的問題。藉由物理學,我們可以描述這些結構的屬性;透過化學,我們可以構思結構形成的機制;借助地質學,我們能判斷結構在哪裡萌生。跨領域的研究成果將衍生出不同的假說。因此,即使無法透過化石紀錄和系統發生樹重現生命起源的過程,這些歷史資訊仍能作為檢驗想法的依據。

4. 最初的生命可能有原始的代謝體系、資訊系統和隔離構造


現存生命的代謝體系、資訊系統和隔離構造分別由蛋白質、DNA 和磷脂質構成。資訊系統指引代謝體系建立,代謝體系亦支持資訊系統運行,隔離構造則確保彼此依存的資訊系統和代謝體系位於相同空間。

然而,很難想像最初的生命已具備這樣高度特化且彼此依賴的系統。如前所述,DNA 的複製與轉錄需要酵素參與,而酵素又得以 DNA 為藍圖合成,兩者對現存生命缺一不可。在無法同時形成代謝體系和資訊系統的情況下,生命該如何自環境中萌生?

這個困境在發現核酶之後有了可能的解釋。

在分子生物學中心教條裡,RNA 居於 DNA 和蛋白質之間。早在六零年代,克立克、 Woese與 Leslie Orgel 等人便猜想, RNA 可能同時具有 DNA 和蛋白質的功能,但這個猜想直到 Altman 和 Cech 發現核酶後才得到印證。

此發現意味著 RNA 同時扮演攜帶資訊和催化反應的角色。若存在可自我複製的 RNA,那麼僅 RNA 便可在欠缺 DNA 和蛋白質的情況下擴增和變異,解決代謝體系和資訊系統難以同時生成的困境。是以, Gilbert (1986) 才據此推測, RNA 構成了最初的生命。

綜上所述,我們可以想像生命起源於包覆著 RNA 的囊泡。當囊泡持續吸附原料、供應 RNA 複製時,囊泡的體積也隨滲透壓漸強而增加,於是在張力改變下分裂為新的囊泡,而不斷複製的 RNA 則隨機分配到不同囊泡中。這些 RNA 在囊泡隔離下複製和變異,在漫長的等待之後,演化為我們所熟知的生命形式,亦即細胞。

原始生命的可能形式 (Szostak et al., 2001)


二、理論中的生命形式夠「原始」嗎?


1. 演繹出的生命形式仍太複雜


然而探討生命起源的最大矛盾在於,我們希望設想的生命可以表現出不同特性,卻又希望組成它的分子簡單到可以在地球早期的環境生成。雖然推測出以 RNA 和囊泡構成的原始生命,但這樣的生命形式似乎仍太複雜,以至於不太可能在原始環境出現。

相較於胺基酸,核苷酸含有鹼基、磷酸根和核醣三個部件。目前在放電實驗的產物或是隕石與彗星等星際物質中,皆找不到完整的核苷酸 (Ferus et al., 2017; Furukawa et al., 2019),而有機分子形成 RNA 的可靠機制也闕如。儘管這些案例不代表 RNA 無法在原始環境生成,仍表明了合成 RNA 的困難。

鑒於合成 RNA 的難度,如果核酶需要一定長度才能發揮作用,將不利於其在原始環境出現。此外,相較於短序列,要從隨機突變中演化出具特定功能的長序列需要更長的時間或更高的濃度。但是 RNA 單體比 DNA 單體多了一個氧原子,容易打斷鄰近的磷酸雙酯鍵,導致 RNA 濃度不易累積。

除了作為複製體的 RNA,原始細胞的隔離構造亦有類似的問題。現存生命的隔離構造是細胞膜,但細胞膜非單純的物理屏障,它也是產生能量、辨識分子和過濾物質的構造。細胞膜上不只有膽固醇、蛋白質與多醣等可以穩固架構的大分子,也有結構精密的通道蛋白以控制物質進出。這樣複雜的構造是長年演化的結果,似乎不太可能在早期的地球環境形成。

由此可見,從環境裡的無機物到想像中的生命形式之間仍有許多空白。然而, RNA 世界假說說明的是 RNA 、DNA 與蛋白質出現的次序,而非 RNA 組成了最初的生命。在 RNA 世界形成之前,或許有其它物質組成了原始細胞的代謝體系、資訊系統與隔離構造。但究竟是何種物質,得借助前生源化學 (prebiotic chemistry) ,從原始環境可能發生的化學反應得知。

2. 前生源化學回答無機物到原始細胞間的空白


若生命能在地球形成,表示構成生命的物質已出現在原始環境中。原則上,遍歷早期地球環境存在的物質,再窮舉可能發生的化學反應,應能拼湊一條形成生命的可能途徑。儘管生命形成時的大氣、水文和地貌已因風化與板塊運動消失,目前對各類環境的研究也沒有共識,但是透過模擬條件或是與現存環境類比,仍能研究假設環境下發生的化學反應,推論生命形成的過程。

即使原始環境可能不如 Miller-Urey 實驗所假設,充滿還原性氣體,但這項研究的結果仍暗示,無機物能透過簡單的能量供應機制形成生物分子。地球上多樣的地質環境和自然現象提供有機物的合成條件;而星際塵埃中形成的有機分子,也可能依附小行星或彗星灑播地面。考量這些潛在的有機物來源,早期的地球環境可能已有許多構築生命的材料。

雖然早期的地球可能蘊藏豐富的有機物質,現存生命卻只使用當中的一部份來構築細胞。這現象或許是因為當今的生命皆發源自特定形式的原始細胞,但生命不會從其他原料、採不同方式萌生嗎?Fox (1972) 指出,由類蛋白自發形成的微球既能篩選物質通透,也具催化反應功能,既有微球還能透過生長、出芽和分裂等方式形成新的微球。Ohta et al. (2007) 以能攜帶果酸分子的 tRNA 搭配重組的密碼表,讓轉錄系統能在體外使用果酸取代胺基酸合成聚合物。

縱使這些結果不必然反映生命形成的確切模式,但其意味著,即使是非現存生命使用的分子,也能參與細胞生理,甚或組織成有秩序的結構。所以由非生物分子組成的構造可能在含有多樣物質的原始環境生成,而且在現存細胞形成前發揮隔離、代謝和資訊等生命所需的功能。

3. 過渡構造銜接無機物與理論中的原始細胞


綜上所述,Miller-Urey 實驗暗示著原始環境可能出現多樣的有機物質,研究也表明非生物分子亦可形成自組織結構,或是參與現存細胞生理。鑒於今昔地球環境差異,組成現存細胞的物質,未必適於最初的生命。因此,我們也許能總結,生命的誕生是條曲折的路。在生命形成的過程中,無機物與原始細胞間仍存在由其他分子構成的過渡構造,這些拼湊的生命會在變異與擇汰中,演變為我們熟知的形式。


三、有什麼物質可以在細胞膜出現前形成過渡的隔離構造?


1. 隔離構造是生命與非生命的界線


生命意味著某種程度的隔絕,這不僅是概念上與岩石或塵土等無機物的區別,也是空間上和其他彼此關聯薄弱的分子的分隔。現存生命由細胞構成,並透過細胞膜控制物質交換,識別外在刺激,或是利用膜內外的梯度差異產生能量。儘管最初的生命可能還沒有這些特化的功能與結構,隔離構造仍然在促進代謝反應、確保個體獨立性和防範寄生型複製體三個層面支持生命形成。(Monnard and Walde, 2015)

首先,隔離結構提升了內部物質的濃度,增加反應發生的機會。而且隔間的微環境或是隔離構造本身,例如脂肪的界面,營造了與開放空間相異的環境,可以催化反應發生(Walde et al., 1994)。

其次,隔離結構能包覆反應所需的不同物質,確保反應能持續進行 (Szostak et al., 2001)。以 RNA 為例,RNA 複製同時需要模板股和聚合酶股,如果無法確保兩者處在相同空間,那麼複製反應便需要極高的起始濃度才有機會發生。

而空間上的隔離也造就兩個利於化學演化的條件。第一,隔離構造避免複製速度快速,但沒有催化能力的寄生型複製體 (parasitic replicators) 顛覆整個系統 (Matsumura et al., 2016);第二,隔離構造包覆了組成相似的物質,避免這些分子在開放環境中逸散而喪失獨特性。簡單來說,隔離構造能避免環境內的 RNA 同質化,確保原始生命的多樣性。

RNA 世界假說需要隔離構造的理由 (Szostak et al., 2001)

2. 脂質囊泡是生命形成時可能的隔離構造


細胞膜由多種磷脂組成,而磷脂則由膽鹼、甘油磷酸和碳氫長鏈組成。在細胞中合成這三個分子至少需要三種酵素 (Vance, 2015),雖然 Fiore and Strazewski (2016) 設想了從原始環境合成磷酯的可能途徑,但多步驟反應後的產量成疑。基於磷酯的結構複雜性和合成困難度,原始細胞的隔離構造可能是由結構較為簡單的脂肪酸組成。

脂肪酸能自發形成囊泡 (vesicle)。由於脂肪酸的疏水區域較磷脂小(脂肪酸只有一條碳氫長鏈),脂肪酸比磷脂更容易在膜上流動或內外翻轉,使得脂質囊泡在包覆核酸之餘,也能以脂肪酸為媒介,轉運膜內外的小分子 (Mansy, 2010)。Mansy and Szostak (2008) 指出,脂質囊泡在攝氏一百度的環境下仍能維持結構,並且有效隔離 DNA 等遺傳物質。

此外,脂質囊泡能透過添加脂肪酸來生長,並且在外力作用下分裂。脂肪膜的流動性有利於添加脂肪酸,而脂肪酸的翻轉可平衡內外膜擴張速率 (Chen and Walde, 2010)。

然而,脂肪酸的結構雖較磷脂簡單,卻不代表比較容易形成。如上所述,脂肪酸的雙親性較弱,所以需要更高的濃度才能形成囊泡。而成形的囊泡僅能處在狹窄的酸鹼值範圍 (Hargreaves and Deamer, 1978),也容易因稀釋而瓦解。在功能方面,儘管脂質囊泡能包覆 RNA,卻無法承受 RNA 複製所需的鎂離子濃度 (Szostak, 2012)。

3. 脂質囊泡以外的潛在隔離構造


除了脂質囊泡,岩層的縫隙以及礦物的孔洞也是潛在的隔離構造。由於鹼性熱液噴口的溫度適中,也富含能催化反應的礦物質,所以被視為生命起源的潛在地點。如下圖左所示,這些噴發口內部有許多管道和腔室,得作為天然的隔間。Baaske et al. (2007) 透過計算指出,管道內的物質可能因熱對流和熱擴散而聚集一隅,達到濃縮反應物的效果。

鹼性熱液噴口微觀結構以及物質濃縮原理示意圖(Baaske et al., 2007)

即使原始生命可能依附孔洞與縫隙而生,仍需脫離原生環境,被游離的隔離構造包覆才能形成細胞 (Koonin and Martin, 2005)。微滴是分子因為疏水性或凡得瓦力等作用力匯集而成的獨立區域。相較於雙親性分子形成的囊泡和微胞,微滴沒有包覆著空腔,也沒有明顯的疏水內核和親水外緣。

不同游離隔離構造的示意圖

微滴作為隔離構造的概念可以追溯到五零年代,Oparin (1957) 認為微滴構成了最早的生命,這些原始細胞會合併生長,被浪潮衝擊而分裂。

當今的細胞裡也有許多經相分離形成的微滴 (Hyman and Brangwynne, 2011),例如由 RNA 和蛋白質組成的核仁與應激顆粒 (stress granules) 等,這不僅表明無膜的隔離構造能發揮生物功能,也暗示了其與原始生命的關係 (Hyman and Brangwynne, 2012)。


四、果酸可能形成原始生命的隔離構造


1. 生命形成時的隔離構造未必由脂質囊泡組成


儘管脂肪酸能自發形成囊泡,並且表現生長和分裂等特性,但其對酸鹼值和滲透壓敏感,也與 RNA 複製所需的離子不相容。相較之下,微滴的組成單純而且結構簡單,也有發揮生物功能的潛力。因此,作者提出一項假說:脂質囊泡或許非最早出現的隔離構造,聚合物形成的微滴可能在囊泡形成前發揮隔離作用。不過,原始環境中有什麼物質可能形成微滴呢?

2. 早期環境中可能含有數量普及且種類多樣的果酸聚酯


果酸 (α-Hydroxy acids) 是從蔬果萃取之多種自然酸的俗稱。1969 年發現的默奇森隕石 (Murchison Meteorite) 當中,除了可以找到構成生命的胺基酸外,也能發現甘醇酸 (glycolic acid) 和乳酸 (lactic acid) 等果酸 (Peltzer and Bada, 1978)。

此外,重新分析 Miller-Urey 的實驗產物,也確認了果酸能在模擬環境中自無機物合成 (Parker et al., 2016)。這兩項研究結果意味著,無論構築生命的有機分子源於外太空還是地球,果酸都可能是早期地球環境中數量普及的有機物質。

近期 Chandru et al., (2018) 指出,甘醇酸和乳酸兩種果酸能在似於熱泉環境的條件下,經加溫和乾燥形成長度不一的聚合物。雖然這些聚合物無法透過氫鍵形成常規的二級結構,但仍可能經由其他折疊方式,或以合併不同官能基的物質等途徑,提升聚合物的形態多樣性。

3. 此研究試圖以聚酯微滴為例,檢驗過渡結構的概念


鑒於果酸的普及性,還有其聚合物的種類與結構多樣性,作者推測果酸或許也能形成某種隔離構造,並在早期的地球環境中穩定存在,同時發揮隔離的作用。

為了檢驗前述概念,此研究以果酸形成的聚脂微滴為材料,在排除技術誤差的情況下,檢驗以下四個彼此相關的屬性,試圖證明果酸形成的聚酯微滴能夠作為生命形成時的隔離構造。

  • 果酸能否在模擬環境中生成特定結構?
  • 此構造能否在模擬環境中穩定存在?
  • 此構造能否吸附環境物質?
  • 此構造能否確保隔間內物質的活性?
研究目的是探討果酸聚酯作為隔離構造的可能性


五、聚酯微滴能在模擬環境下生成並穩定存在嗎?


1. 果酸於高溫乾燥後會形成多樣的聚合物


有機分子縮合為聚合物的過程需脫水,所以富含水分的環境不利聚合反應發生。然而生化反應仍需液態水作為溶劑,以增加分子彼此接觸的機會,因此環境濕度的周期性改變可能涉及早期地球的大分子合成。當環境濕度因乾旱、退潮與日曬等因素下降,乾燥條件將促使聚合反應發生;一旦環境又因降雨、漲潮或山洪而充滿液態水,異地的聚合產物將彼此混合,再於下回乾燥階段重組成其他類型的聚合物。此外,部分聚合物可能在潮濕階段水解而生成新物質,所以透過聚合、拆散、混合、重組四個步驟,形形色色色的聚合物即可在接連的乾溼循環生成 (Becker et al., 2018)。

果酸溶液在中性環境和酸性環境乾燥的產物

這種乾濕循環的現象普遍出現在淺海、湖畔和湧泉等生命起源的可能環境,所以原始環境中的果酸也可能透過此機制合成聚合物。為了模擬果酸分子在乾燥階段的表現,作者將五種果酸溶液各自置於酸性環境,在攝氏八十度下乾燥一周。如上圖右所示,除了甘醇酸溶液 (glycolic acid, GA) 以外,這些果酸溶液隨水分蒸發形成膠體物質。透過 MALDI-TOF質譜分析 (Matrix-assisted laser ionization time-of-flight mass spectromtry) 可以發現,膠體內的果酸分子形成長度不一的聚酯。與之相對的是上圖左,果酸溶液在中性環境乾燥兩周仍無法形成膠體物質,意味著果酸聚酯的生成除濕度與溫度,也與酸鹼值有關。

由於真實環境往往較實驗條件複雜,為了檢驗果酸聚酯能否在含有多種分子的異質環境生成,作者混合不同的果酸重複乾燥實驗。結果表示,混合的果酸也能在乾燥後形成聚酯,意味著果酸單體能在相對複雜的條件中形成大分子,暗示其在地球早期環境生成的可能性。

2. 果酸聚酯在水與 Aceronitrile 溶劑中受擾動會形成直徑數微米大的微滴


果酸聚酯溶液在擾動後的肉眼觀測和顯微鏡觀測結果

雖然作者已展示了果酸能在乾燥環境組成聚酯的特性,但合成大分子只是生命起源的第一步,零落的聚合物仍需組成有秩序的構造才有機會形成生命。因此,作者將檢驗果酸聚酯能否在接下來的潮濕階段形成有意義的結構。

當乾燥的果酸聚酯在含有水和 Acetonitrile 的試管中 (原始環境可能的溶劑,Adam et al., 2018),經超音波震盪和渦流擾動後,以肉眼可觀察到溶液變得混濁(上圖第二列),透過顯微鏡也能發現直徑數微米的微滴(上圖第一列)。為了確認微滴的成因,作者以不同條件重複實驗,未經乾燥的果酸單體無法在潮濕階段形成微滴,表示這些微滴是由聚酯形成。

由於乾溼循環普遍出現在可能孕育生命的環境,而自然界也有強風、湧泉和浪潮等現象可以擾動分子。所以此處的結果暗示著,原始環境中的果酸或許能在氣候與水文的週期變化中,形成可作為隔離構造的聚酯微滴。

3. 聚酯微滴有相當的壽命和環境耐受性


透過乾溼循環的實驗已經展示了果酸在原始環境中形成聚酯微滴的可能性。但新生的微滴可能因為滲透壓失衡而瓦解,或與其他微滴合併而喪失隔離功能,所以作者接下來需檢驗由果酸形成的聚酯微滴,能否在不同的環境條件下穩定存在。

為了模擬降雨或湧泉等可能造成滲透壓改變的現象,作者以蒸餾水稀釋含有聚酯微滴的溶液。相較於其他可能作為隔離構造的雙液相系統或凝聚微滴,聚酯微滴的體積雖然在稀釋後略微降低,但仍能維持結構而不解體。


聚酯微滴稀釋後的體積變化


此外,在欠缺乳化劑或介面穩定物 (interfacial stabilizing polmers) 的情況,雙液相系統或凝聚微滴會在數小時內合併,但聚酯微滴能在沒有這些物質的協助下,維持個別微滴的獨立性達數天。儘管聚酯微滴在鹼性環境中同樣會迅速攏聚合併(這現象可能是因為鹽類破壞了微滴的表面張力所致),若持續以超音波震盪或渦流擾動,仍能維持試管中的微滴數量。這項結果表示,雖然聚酯微滴在酸性環境最穩定,但如果有波浪或水流等持續性的擾動,仍能支持聚酯微滴在鹼性環境留存。

4. 聚酯微滴能在模擬環境下生成並穩定存在


前半段的實驗指出了果酸溶液可以相對複雜的環境,通過乾溼循環形成聚酯微滴,而且此構造能在酸性環境或是持續擾動的環境中維持數天時間。面對滲透壓改變,聚酯微滴也較雙液相系統或凝聚微滴穩定。額外測試聚酯微滴在九十度高溫時的情形,也表現出和脂質囊泡相似的穩定性。透過這些結果,作者從結構的層次展示了聚酯微滴在早期的地球環境中生成並穩定存在的潛力。


六、聚酯微滴能吸附生物分子並維持這些物質的活性嗎?


1. 聚脂可以選擇性吸附螢光染劑和 RNA 分子

除了結構的穩定性,隔離構造應能吸附環境分子,濃縮物質濃度進而促進化學反應在隔間發生。因此在示範了形成聚酯微滴的可能性,以及檢驗微滴的結構穩定性後,作者試圖證明聚酯微滴既能吸附生物分子,也維持這些物質的活性。


聚酯微滴對不同物質的吸附能力測試結果

作為研究的展示,作者以 Thioflavin T (ThT) 和 SYBR Gold 兩種螢光染劑,以及螢光標記的 RNA 代表原始環境中的生物分子。如上圖前兩列所示,當染劑加入含有聚酯微滴的溶液時會被微滴吸附,所以影像裡可以看到明顯的白色顆粒。

相較之下,僅有聚苯基乳酸 (DL-3-phenyllactic acid, PA) 形成的微滴能匯集 RNA 分子,是以上圖第三列中,除了 poly-PA 欄位以外,其他影像皆無法觀察到明確的顆粒。這項結果意味著,聚酯微滴能夠差異性地吸附不同物質,展現隔離構造濃縮反應物的特性。由於 ThT 和 SYBR Gold 為疏水染劑,它們被聚酯微滴吸附現象反應了微滴內部的疏水性。

2. 微滴對物質的通透性因微滴組成成分和物質種類而異


除了濃縮反應物,隔離構造也得確保包覆其中的物質不會流失。為了衡量微滴內外的物質交換比率,作者以螢光漂白再恢復率 (Fluorescence recovery after photobleaching, FRAP) 評估微滴的通透性。

簡單來說,當匯集在微滴內的螢光染劑因雷射喪失發光特性,微滴區域的螢光強度就會大幅下降。由於微滴外不受影響的染劑會和微滴內的染劑交換,隨著交換的比率上升,微滴內仍具有活性的染劑比例會逐漸提升,使得螢光強度恢復。由於光度恢復速率與染劑交換速率相關,藉由度量螢光強度的恢復速率,即可推論微滴的通透性。

螢光漂白再恢復技術示意圖

作者發現微滴與染劑的通透性具有專一性。以下圖 B 為例,吸附 TfT 的poly SA 微滴(2-hydroxy-4-(methylsulfanyl)butanoic acid) 在螢光漂白後的光度恢復速率快於吸附 SYBR Gold 者,表示 poly SA 微滴對 TfT 通透性較佳。而下圖 C 則展示了相同染劑對不同聚酯微滴的通透性,可以觀察到 SYBR Gold 對 poly LA 微滴 (DL-lactic acid) 的通透性的特別好。

雖然只用了兩種染劑和一種 RNA 為範例,但這些結果表明,即便使用和現存生物大分子無關的果酸,也能夠在簡單的乾溼循環中,從相對複雜的環境形成具有不同分子通透性的聚酯微滴,發揮隔離構造的作用。


聚酯微滴對不同物質的通透性測試結果

3. 聚酯微滴可能作為構建脂質囊泡的骨架


雖然聚酯微滴普遍能吸附染劑的現象反映了微滴內部的疏水特性,但作者以 Rhodamine-PE (Lissamine Rhodamine B, 1,2-dihexadecanoyl-sn-glyero-3-phosphoethanolamine, triethylammonium salt) 重複試驗後發現,這類雙親性物質會圍繞在聚酯微滴周邊,形成一層脂質層。如下圖左所示,共軛焦螢光顯微鏡下可觀察到 polyPA 微滴周邊聚集著由 Rhodamine-PE 組成的亮帶。


脂質依附聚酯微滴的證據

這項結果表示,至少脂質等雙親性物質能依附在 polyPA 微滴的表面,暗示著聚酯微滴在原始環境中與脂質的關係。或許微滴可以在生命形成時作為聚集脂質的骨架,輔助脂質囊泡等較現代的隔離構造生成。

4. 包覆聚酯微滴內的物質可維持其構造和功能


至此,作者已經展示了聚酯微滴吸附分子、保留物質並且作為其他隔離結構之骨架的潛力。由於只有 polyPA 微滴能吸附 RNA,所以作者最後將以 polyPA 微滴和 sfGFP (superfold green fluorescent protein) 為代表,檢驗被包覆在聚酯微滴內的生物分子能否正常作用。

sfGFP 的發光特性仰賴正確的折疊方式,倘若微滴扭曲了 sfGFP 的結構,應該無法順利呈色。然而結果表明,sfGFP 能在微滴內發光,意味著聚酯微滴能保持被吸附物質的結構完整。

除了檢驗微滴對結構的影響,作者亦使用核酶 (fluorescent self-cleaving hammerhead ribozyme) 探討微滴對功能的影響。由於核酶在 polyPA 微滴內外交換的速率大於裁切反應的速率,即使作者在混合聚酯微滴和核酶的溶液中發現裁切反應的跡象,仍不能斷言裁切反應發生在微滴內還是溶液中。儘管無法直接證明包覆於微滴當中的物質能維持其功能,這項結果至少表示核酶能在含有微滴的環境下發揮作用。


七、聚酯微滴可能如何參與生命形成的過程?


1. 我們已經知道了什麼?


由於欠缺生命形成時的地質和生化證據,現存生物成為追溯生命起源的唯一線索。代謝體系、資訊系統和隔離構造是現存生命的三要素,因此最初的生命可能是由能夠自我複製的 RNA 和隔離構造組成,代謝體系則在演化過程中逐漸完善。

儘管理論的生命形式既簡單且優雅,核甘酸與磷脂雙層的來源與合成機制仍不明朗。研究指出,除了構成現存生物的大分子,可能存在地球早期環境中的多種物質,也有形成有序構造並表現生命特徵的潛力。

基於這條思路,作者試圖尋找有別於由脂雙層組成的隔離構造,探索替代物質如何在原始環境組成過渡的隔離構造,又如何提供 RNA 等複製體催化反應的保護空間。

無論構築生命的分子源於何處,果酸皆可能是原始環境中數量普及且種類多樣的分子。因此作者認為在細胞膜出現之前,由果酸形成的聚脂微滴可能作為生命形成初期的隔離構造,發揮包覆物質、促進反應和營造化學演化環境的功能。

為了檢驗這個假說,作者以果酸合成了聚酯微滴,從結構上檢驗微滴能否在模擬環境下生成並穩定存在,再從功能上檢驗微滴能否吸附生物分子並維持這些物質的活性。作者得出的四項結果表明,聚酯微滴夠格作為生命形成時的隔離構造。

2. 聚酯微滴可能如何參與生命形成的過程?


  • 果酸在乾溼循環後組成聚酯微滴:由於難以解釋構成現存生命的物質來源與分子合成機制,作者試著透過此研究指出,即便使用和現存生物大分子無關的果酸,也能利用簡單的乾溼循環,從相對複雜的環境形成具有不同性質的聚酯微滴。若這些微滴能發揮隔離功能,代表替代物質或能在磷酯細胞膜出現前,在原始環境組成過渡的隔離構造
  • 聚酯微滴能穩定維持數天並且耐受滲透壓力與熱壓力:由於生物分子可能在異地生成,聚酯微滴的結構穩定性可以確保其有足夠時間和其他分子相會;在原始細胞形成後,穩定的結構也能避免細胞因滲透壓失衡而瓦解或與其他細胞合併而喪失隔離作用。雖然聚酯微滴在鹼性環境有聚集合併的傾向,但是這也提供了可以聚酯微滴與環境中其他分子互作的機會。
  • 聚酯微滴能夠選擇性地吸附不同染劑和RNA:雖然脂質囊泡也能夠保留環境中的大分子,卻允許小分子流失。相較之下,聚酯微滴能夠吸附不同類型的分子,利於累積這些分子的濃度以促進反應。此外,化學演化的動力是變異與選擇,吸附物質的能力差異造就聚酯微滴的多樣性,增進微滴及包覆物質發展出生命相關特徵的機會。
  • 聚酯微滴能夠維持所包覆物質的結構:酵素的功能與結構相關,雖然此研究沒有證明聚酯微滴能維持被包覆之核酶的活性,但聚酯微滴的確能維持 sfGFP 的結構和活性,暗示了核酶在微滴內也能正常作用。

統合這些研究結果,聚酯微滴可能在退潮/漲潮、湧泉/間歇、乾旱/降雨等自然的乾溼循環中形成。這些微滴將吸附環境中的生物分子,包覆它們於獨立的微環境中。隨後,微滴可能因為酸鹼值、溫度和濕度變化而分裂或攏聚,與不同的物質結合,形成多樣的物質。這些變異構成了化學演化的基礎,促使分子的複雜度逐步提升。這些前驅的隔離構造也作為骨架,支持脂質囊泡形成,發展出更細緻的細胞構造。

3. 儘管如此,但是……


無論生命起源於淺灘、湖泊還是熱液噴口,早期的水體環境應該含有許多礦物質。雖然作者強調聚酯微滴能在異質環境(混合不同果酸的溶液)生成,卻沒有檢驗能否在鹽類溶液重現結果。已知雙親性物質在富含礦物質的水體不易形成囊泡,雖然聚酯的特性可能不同,但沒有測試便無法判斷微滴的生成是否受到影響。

在作者合成的五種聚酯微滴中,只有 poly PA 微滴能濃縮 RNA。然而 RNA 在 poly PA 微滴內外的交換速率大於 RNA 的催化速率,所以此研究無法證明包覆於微滴的物質能否維持活性。而poly PA 微滴的高通透性也表示其不能有效隔離 RNA,無法防範寄生型複製體擴張。

另一方面,雖然過渡構造能化解複雜分子的合成問題,卻需要解釋原始細胞轉變構造的途徑和契機。依照 RNA 世界假說,RNA 的遺傳和代謝功能分別由更穩定的 DNA 和更有效率的蛋白質繼承。相較之下,聚酯微滴會銜接何種隔離構造仍不明確。儘管作者展示了脂質依附於微滴表面的現象,卻沒有說明微滴協助囊泡形成的可能原因和機制。

此外,假設微滴確實是生命形成時的隔離構造,應能在現存生命中找到相應的遺跡,例如乙醯輔酶A 中的核甘酸佐證 RNA 世界假說,普遍參與呼吸作用的鐵硫蛋白則支持鐵硫世界假說。相較之下,作者沒有描述現存細胞中與聚酯微滴相關的構造,使得微滴與現存生命的繼承關係顯得薄弱。雖然細胞質和細胞核也有些無膜微滴,但聚酯微滴似乎難以和這些功能高度特化構造比較。

4. 結論


綜上所述,果酸可能是地球早期普遍的物質,它能在相對複雜的環境下,經乾溼循環形成具有不同分子通透性的聚酯微滴。作者從結構與功能兩層面證明,這些微滴的結構較其他潛在的隔離構造穩定,也能發揮濃縮物質的功能。此外,部分聚酯微滴可以和脂質共存,暗示其作為脂質細胞膜的前驅。儘管囿於當前對於生命形成的研究限制,無法確認果酸聚酯微滴是否為生命形成時的隔離構造,但此研究仍然指出了過渡結構在生命形成時發揮作用的可能性。

研究摘要 (改編自此次演講的海報)








八、結語:為什麼我們要研究解答仍遙遙無期的問題?


1. 「因為它在那裡」


儘管此研究以果酸例驗證了過渡的隔離構造先於磷脂雙層出現的可能性,但聚酯微滴是否參與生命形成恐怕無從得知,而這點是目前研究生命起源問題時面臨的共同困境。

如同獎學金審查委員在面試時問我的問題,學界對於核酸、蛋白質和脂質如何在早期的地球環境生成仍沒有共識,生命形成時的原始環境也因風化和板塊運動消失,從系統發生樹追溯最後共組的努力又因細菌的水平基因移轉受挫。在沒有直接證據的情況下,生命起源的理論和假說只能建立在假設上,欠缺合理的證偽機制。那麼,我們研究這些問題的意義究竟是什麼?

看著Dr. Jia 熱烈地介紹自己的研究,我想每位投身生命起源問題的科學家應該都有自己的答案,所以演講後我硬著頭皮用破英文向他請教這長久以來繚繞心中的疑惑。

  「我想我們總會對未知的事情感到好奇,」他說。

聽到這回答時,我不由自主地笑了,因為我想到 1923 年 George Mallory 面對紐約時報記者詢問攀登聖母峰的理由時的答覆:「因為它在那裡 (Because it's there)。」我一直在想,還有比這更清楚的答案嗎?

我手邊有三本探討生命起源的書,你不好奇為什麼探討地球生命的書,封面卻用星辰和宇宙妝點嗎?關於這點,我同意吳明益老師的想法,我們好奇生命起源,喜歡海,嚮往星空的理由或許是一樣的。儘管泛種論很離奇,而有機分子外源說也尚未證明,但地球本身就是宇宙的一部份,如果曾被星艦迷航記的探索精神感動,怎麼不會對宇宙生命的起源著迷?

生命起源問題雖然難解,但它未必不可解,儘管解答的機率難以估計,但如果沒有開始,成功的機會就是零。即使我們無法確定答案,至少可以排除不可能的選擇。

抬頭仰望星空的時候,我們也在尋找自己從何而來


2. 特例雖然很重要,但我們更在乎生命的道理


而且,不是只有帶來真相的研究才有價值。Miller-Urey 實驗一再被提起並不是因為他們正確描述了地球早期的環境,而是因為他們的研究揭示了新的可能性,讓我們能從其他角度看待問題。

如果我們相信宇宙可以理解而且生命是種現象,那麼即便無法還原地球生命起源的過程,這個問題仍有研究價值,因為我們在乎的不是特例,而是無機物轉變為活體背後的道理。牛頓從五大行星的運轉推理普適的重力法則,門得列夫從有限的元素裡繪出週期表,達爾文雖然不知道動植物演化的細節,仍想出物種分歧的原因。即使歷史證據不全,我們還是能探索生命形成的模式與機制。

何況,我們對於過去也非一無所知,行星科學和地質學家會逐漸釐清構築生命的原料來源,化學家和物理學家也將構思出解釋生命的假說,而生物工程學家則透過人造細胞檢驗這些猜想。如同登月計畫,生命起源問題需要不同領域的知識,它將是測試不同研究方法和跨際合作的最好媒介。

地外生命搜索也受益於生命起源的研究。每次太空任務都耗費巨資,而搜索標的又遍及太陽系,我們需要適當的標準篩選目標,也需要合理的方法檢驗樣本,探索生命起源的研究成果可以讓我們了解孕育生命的條件,進而選擇適當的研究目標。

也因為跨領域的特性,研究的結果不會只限於生命起源。Woese 最初在 NASA 地外生物學計劃資助下研究 16S rRNA,這些研究不只點出了研究生命起源的途徑,也奠立了現今以核酸研究微生物生態的基礎。此文的最後,Dr. Jia 也提及,聚酯微滴即使非生命起源時的隔離構造,也可能作為運輸藥物的材料或是測試人工細胞的工具。

3. 科學的目的不在抵達,而是永遠的追逐。


   「但攀登聖母峰真的沒有任何科學價值嗎?」記者追問。

那句名言沒有為訪談畫下句點,Mallory 仍然向記者解釋前幾次攻頂對於地質學和植物學的意義,但他強調這些發現只是過程的副產品。事實上,科學是探索的藉口而不是目的,聖母峰作為世界的頂點,它的存在本身即是一種挑戰,所以登山的真正理由恐怕是對於征服的純粹渴望。

我很同意這段話,雖然試著寫出研究生命起源的意義,但對我而言,我只是想回應內心的渴望而已,能不能研究出來,有沒有意義都不是我最關心的事情,如果要寫,那也只是為了爭取經費支持,在不受打擾的環境下幹我想幹的事情。

Mallory 在訪問隔年長眠在攻頂的路上,但那句名言仍迴盪在許多人心中。同年 Oparin (1924) 的著作在蘇聯出版,為理解生命起源問題提出了新的框架,儘管他始終沒有從實驗上得出正面結果,他的理論卻鼓舞了往後的年輕人投身這個領域。在這本小冊子的最後 Oparin 說道:
我們就此結束對生命起源的討論。在我們的腦海裡,我們已經走過了從早年星雲中熾熱的碳原子到這時代裡所有生靈的漫長道路。我們也已看到,當我們的思想始終建立在科學奠定的事實上時,為什麼有機會解釋生命的起源。 
當然,這裡提及的解釋只是其中一種可能,我們掌握的事實仍然有限,以至於無法肯定生命是否會以其它方式萌生。我們對凝聚膠體的理解和對原生質的生理化學結構同樣不足。然而,這樣的無知只是暫時的,目前我們無法了解的事情,將在明天得到解答。 
一大群生物學家正在研究生物的結構與組織,而為數不少的物理和化學家也在探討物質的新特性。就像是兩個工人分別從隧道的兩端鑽孔,他們朝著同樣的目標努力。探討生命起源的路已經走了好久,好久,在恆心、毅力和堅實的科學思維下,物質與活體間的高牆終將倒塌。

九、參考文獻


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