短肽可在金星极端酸性环境中形成稳定结构

在探索太阳系中生命存在的迹象时，科学家们通常将目光投向那些拥有（或曾经拥有）类似地球液态表面的星球。然而，越来越多的证据表明，生命所需的基本要素或许存在于一种截然不同的环境中——覆盖金星表面的强酸性云层。

这些云层由约98%的硫酸构成，科学家们此前认为如此强的酸性环境不足以让复杂的生物分子存活。但麻省理工学院的研究人员在一项新研究中发现，短肽不仅能在这种极端酸性条件下保持稳定，还能折叠成特定形状，从而可能具备一定的生物功能。

“如果肽分子进入浓硫酸云层，它们将稳定保存于云滴之中。一旦这些大分子具备了确定的三维结构，就有可能发挥功能。”麻省理工学院化学系教授、该研究的共同通讯作者梅洪（Mei Hong）说。

另一位共同通讯作者、麻省理工学院地球大气与行星科学系行星科学教授萨拉·西格（Sara Seager）表示，这一发现提示科学家不应在寻找生命时将不像地球的星球排除在外。

“我们并不真正了解宇宙中究竟存在哪些类型的行星。我们一直在寻找与地球高度相似的系外行星，但如果它们大多都像金星呢？我们的发现确实开启了一系列全新的可能性。”西格说。她将于今年九月正式加入多伦多大学。

弗罗茨瓦夫科技大学研究助理教授亚努什·彼得科夫斯基（Janusz Petkowski）也是该论文的共同通讯作者。论文本周发表于《美国国家科学院院刊》，麻省理工学院博士生张嘉怡（Jia Yi Zhang）为第一作者，麻省理工学院前博士后奥雷利奥·德雷尼（Aurelio Dregni）亦参与了该研究。

在极端环境中存活

金星表面温度极高，不适宜生命存在，但其云层从地表以上约50至65公里处延伸，温度相对温和，具备支撑生命存活的条件。这些云层由硫酸液滴组成，能溶解金属，并会破坏地球上绝大多数生物分子。

含有肽构建单元的陨石会定期进入金星大气层，这引发了科学家的猜想：如果这些肽能够在腐蚀性云层中存活，它们或许可以成为简单生命形式的基础构件。

2020年，西格课题组开展了一系列研究，探究不同类型的生物分子能否在高酸性条件下存活。在最初的实验中，研究团队与麻省理工学院化学仪器设施部门合作，利用核磁共振（NMR）波谱技术分析了近乎纯硫酸溶液中各类分子的结构。

研究结果显示，DNA的构建模块核酸可在高酸性条件下保持完整，脂质和氨基酸亦是如此。下一步是确定由氨基酸短链构成的肽是否也能存活，更重要的是，它们能否折叠成具有生物功能的形状。

为完成这一极具挑战性的任务，化学仪器设施部门建议西格与核磁共振专家梅洪合作，后者实验室配备有一台先进的800兆赫液体核磁共振波谱仪。

令研究人员意外的是，他们发现所研究的肽分子在长达数周的时间内始终保持稳定。研究人员认为，这得益于强酸性溶液中极度缺乏水分子的特性。在98%的硫酸中，水分子极少，这意味着水解反应——即在酸中断裂肽键的化学反应——无法发生。

“没有水，你原本认为强腐蚀性的溶剂，其实并没有想象中那么危险。”梅洪说。

在确认肽分子保持完整后，研究人员开始深入分析其结构。他们研究的其中一种肽分子名为HHQ，是一种由七个氨基酸组成的合成肽，梅洪此前曾就其在形成催化淀粉样纤维中的作用进行过研究。

HHQ在水溶液中会形成平行的β折叠片，并最终组装成长纤维结构。然而在浓硫酸中，研究人员发现它呈现出一种完全不同的形状——类似希腊字母”ω”的环状结构。这种所谓的ω环偶尔出现在一些天然蛋白质中，在β折叠或螺旋等结构单元之间充当连接链。

研究人员分析的另外两种肽分子——HHQ的更长版本HHQ13，以及含七个氨基酸的K7——在硫酸中同样形成了ω环。

研究人员认为，硫酸分子充当了环状结构的支架，嵌入每个环的中央并维持其形态。

“此前从未有人知道，肽分子在酸性环境中不仅能如此稳定地存活，还能形成特定的三维结构。”梅洪说。

结构与功能

在水溶液中的天然蛋白质中，ω环被认为在蛋白质折叠与分子识别中发挥作用。它们在酸性环境中是否能具备其他生物功能，目前尚不明确。然而，肽分子能够在酸性环境中形成明确的折叠结构，本身已是证明其可能在此类环境中发挥生物功能的重要一步。

“生命需要具有特定形状的蛋白质，才能与目标靶点结合并发挥功能。在此之前，人们认为肽无法在硫酸中存活，因此证明肽不仅稳定，还能折叠，是一项非常重要的发现。”正在主导”晨星金星任务”的西格说。

美国国立糖尿病、消化和肾脏疾病研究所化学物理实验室生物物理核磁共振部门主任阿德里安·巴克斯（Adriaan Bax）将这一结果评价为”重要且出人意料”。

“这些肽分子在浓硫酸中依然保持相当程度的构象有序性，这表明折叠的寡肽/蛋白质结构可能存在于此类环境中，为大气条件与地球截然不同的星球上可能存在生命提供了潜在支持。”未参与该研究的巴克斯说。

西格目前希望进一步研究一种名为肽核酸（PNA）的分子。这是一种人工合成分子，结构类似DNA，但其糖磷酸骨架被肽骨架所取代。她的课题组此前已证明该分子（在地球上并不天然存在，但可能是DNA的潜在替代形式）以单链形式在强酸环境中具有稳定性，下一步她希望研究双链肽核酸的稳定性。

此外，研究团队还计划分析更长的肽分子，以确认它们在高浓度硫酸中是否同样呈现ω环形状或其他结构。

本研究由阿尔弗雷德·P·斯隆基金会、NOMIS基金会以及美国国立卫生研究院资助。

Q&A

Q1：短肽在金星酸性云层中为什么能保持稳定？

A：在98%浓度的硫酸溶液中，水分子极少，因此无法发生水解反应——正是这种反应会在酸性条件下断裂肽键。缺少水分子这一关键因素，反而使硫酸没有想象中那么具有破坏性，肽分子因此能够在这种环境中长达数周保持完整结构。

Q2：短肽在硫酸中形成的ω环结构有什么意义？

A：ω环是一种特定的三维蛋白质结构，在天然蛋白质中起到连接不同结构单元、参与蛋白质折叠和分子识别的作用。肽分子能在浓硫酸中自发形成这种有序的折叠结构，意味着它们可能在极端酸性环境中具备潜在的生物功能，为金星云层中存在生命提供了理论依据。

Q3：这项研究对寻找地外生命有什么影响？

A：此前科学家主要关注具有液态水的类地行星来寻找生命迹象。这项研究表明，生命基础分子可能在截然不同的环境中稳定存在，例如金星的高酸性云层。这一发现拓宽了宜居环境的定义范围，提示科学家不应将不似地球的行星排除在寻找生命的候选名单之外。