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蛋白结构周期表揭示生化设计

高中三年级的时候,我在西弗吉尼亚州的科学及工程大奖赛中荣获“元素周期表”优胜奖, 所得奖杯我至今珍藏! 这次获奖促使我痴迷于化学,我的生命就此与化学和生物化学结 下了不解之缘。接下来的大学四年以及随后的研究生学习,   “元素周期表”始终与我如影随形。

俄罗斯化学家  迪米特里·门捷列夫在 1869 年发表第一份元素周期表。 如果将元素按 原子量 的大小順序排列,他发现元素的化学及物理性质会显现周期性。 这种周期性有助于 科学家了解杂乱无章的化学系统,通过合理的排列进而预测每个元素的化学及物理 性能。

生物化学家也一直希望能找到类似的排列方式,进而预测各种生化分子的结抅及性能, 例如蛋白质复合物。 目前为止这种尝试仅仅停留在理论层面,因为很多科学家把生化系统 看做是无序的,并取决于进化历史。 如乔马什说:“进化产生了品种丰富的蛋白质复合物,看来非常混杂和凌乱。”1

由于毫无规律可言,生物化学家不得不研究每一个蛋白质复合物的结构。尽管他们已经了解了成千上万个蛋白质复合物的结构,卻依旧无法觅得任何理论层面上的规律。

进化过程中的偶然性似乎可以为这团迷雾提供合理解释,根据推测先前存在的蛋白质是在无序的过程中转化为蛋白质复合物,自然选择在这一过程中扮演着重要角色。換而言之,蛋白质化合物的结构根本不受制于任何律例或因由,因为它们不过是自然选择中随机变化的写照。

图1: 蛋白质的四级结构图案(蛋白质复合物相符蛋白质的四级结构。)

蛋白质复合物周期表

最新研究表明自然定律从基础层面上可用于决定生化系统的组织,结构及性能。2 无独有偶, 英国的科学家发现一个方法并建立生化周期表来诠释和预测自然界的  蛋白质复合物3

  就我 而言,利用简单的规则来解释复杂蛋白质复合物的结构,正好说明了宇宙的规侓性和目的 性,是一个充满智慧创造者的杰作。

英国的科学家并不是靠分析蛋白质复合物的构象来发掘它们的结构原则,而是专注于 它 们复杂的组合过程。他们注意到蛋白质复合物是有序组合,且类似现象遍布整个生物领域。 他们鉴定出了组合的三个基本步骤:

  1. 若蛋白质之间的彼此结合有系统地多次发生,便可以产生大量蛋白质复合物的结构。学者们发现若将蛋白质复合物的结构排成行列(列是独特单体的数目,行是重复次数), 就会呈现蛋白质复 合物的周期表。这个周期表涵盖了所知蛋白质复合物结构的百分之九十二(可能因分配错 误,百分之四的复合物无法解释)。利用这个周期表,科研人员就可解释产生复杂结构蛋白质的频率。他们甚至可以预测尚未发现蛋白质复合物的结构。
  2. 其次是环化, 三个或更多的相同单体组合成环形。
  3. 再者是添加, 两个不同的单 体组合为二聚体。

科学家们意识到单体互动的重要作用。 他们得出两种互动作用:

  1. 一种是同构,蛋白质单体头对头的结合。
  2. 另一种是异构,蛋白亚单体头对尾的结合。

若蛋白质之间的彼此结合有系统地多次发生,便可以产生大量蛋白质复合物的结构。学者们发现若将蛋白质复合物的结构排成行列(列是独特单体的数目,行是重复次数), 就会呈现蛋白质复 合物的周期表。这个周期表涵盖了所知蛋白质复合物结构的百分之九十二(可能因分配错 误,百分之四的复合物无法解释)。利用这个周期表,科研人员就可解释产生复杂结构蛋白质的频率。他们甚至可以预测尚未发现蛋白质复合物的结构。

作为一个生物化学家,我惊叹于这些学者利用一套简单规则去解释令人费解的复杂蛋白质复合 物结构。如团队中的亚纳·史 博纯说:“我们把秩序引进混乱的蛋白质复合物世界里。” 4

意义

这项研究意义非凡,有助于从根本上了解蛋白质结构与其功能的关系。对生化医学研究有 同样重要的应用,一些病症的出现,部分原因可能就是蛋白质复合物组合过程中出现纰漏。蛋白质复合物周期表对生物技术以及蛋白质工程也是不可缺少的工具。

从基督徒的关点,我也看到神学和护道的含义。根据进化论,我们无法預料蛋白质复合物结构有任何的规律。但这最新的发现卻恰好显明大自然是有規律,也是可知的。这现象与基督徒的世界观不谋而合,相信神创造宇宙,祂並借着受造之物彰显自己給世 人。

这发  这发展也指出生化特征並非来自历史偶然性, 而根本上受制于自然法则。 这一事实推 翻了进化论的原理,也意味  不能  再用蛋白质复合物的共享结构特点去推断它们的进化关系。

这发现也支持了生化人择原理。 蛋白质复合物不但显示自然定侓,且有恰當的结构让生命得以 存在,这是异乎寻常的事。 我对这个“巧合”的阐释是:这证明了宇宙是被按照意图创造的 。

最后,这一发现不单对进化论发出挑战,也对最流行的智能设计发出挑战。智能设计是通过概 率计算证明随机过程是不能产生如蛋白般含有丰富信息的生物分子。 我以前也曾指出这 论调的不完善。5 这英国学者团队表明了如果蛋白结构受制于自然定律,物理化学 (或生物 化学)的约束就会把蛋白质挤压在有限的空间里。 理论上蛋白质空间是宽广的, 但实际上大部份的空间都不能容罝蛋白,因为只有一个子集蛋白结构是乎合物理和化学定 例。

总体来说,这个新的蛋白质复合物的周期表显示生物系统的结构可能反映宇宙中更深层的基本原则。 作为一个基督徒,我感觉这观念跟“生命出自一个智能源头”的概念有强大的共鸣,这智能的源头就是神。

Endnotes
  1. European Molecular Biology Laboratory-European Bioinformatics Institute, “Periodic Table of Protein Complexes,” news release, ScienceDaily, December 10, 2015, www.sciencedaily.com/releases/2015/12/151210144539.htm.
  2. For example, see Fazale Rana, “How the Central Dogma of Molecular Biology Points to Design,” Today’s New Reason to Believe (blog), Reasons to Believe, February 9, 2015, https://www.reasons.org/articles/how-the-central-dogma-of-molecular-biology-points-to-design; and Fazale Rana, “Too Good to Be True: Evolution and the Origin of Bioinformation,” Today’s New Reason to Believe (blog), Reasons to Believe, July 11, 2013, https://www.reasons.org/articles/too-good-to-be-true-evolution-and-the-origin-of-bioinformation.
  3. Sebastian E. Ahnert et al., “Principles of Assembly Reveal a Periodic Table of Protein Complexes,” Science 350 (December 2015), doi:10.1126/science.aaa2245.
  4. European Molecular Biology Laboratory-European Bioinformatics Institute, “Periodic Table of Protein Complexes.”
  5. See Fazale Rana, “Intelligent Design: The Right Conclusion, but the Wrong Reasons,” Today’s New Reason to Believe (blog), Reasons to Believe, October 7, 2010, http:/www.reasons.org/articles/intelligent-design-the-right-conclusion-but-the-wrong-reasons; and Fazale Rana, “Too Good to Be True: Evolution and the Origin of Bioinformation,” Today’s New Reason to Believe (blog), Reasons to Believe, July 11, 2013, https://www.reasons.org/articles/too-good-to-be-true-evolution-and-the-origin-of-bioinformation.