古蛋白質體學突破DNA極限 揭示史前生命奧秘

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商傳媒|康語柔/綜合外電報導

長久以來,古代DNA(ancient DNA)一直是理解史前世界的黃金標準,協助重建已滅絕物種、古代遷徙路徑及人類演化史。然而,DNA的保存有其限制,在寒冷環境之外,它會迅速降解,往往在數十萬年後便完全消失,使得大部分史前資訊無法透過分子層面來探究。如今,古蛋白質體學(paleoproteomics)的發展正改變這一局面。

古蛋白質體學透過分析古代蛋白質,讓研究人員能夠從傳統上認為超出分子分析範圍的樣本中,發現生物學資訊。哥本哈根大學教授 Enrico Cappellini 指出,蛋白質分析能夠回溯比DNA保存極限更久遠的基因資訊。牛津大學博士後研究員 Alexandra Morton-Hayward 形容,DNA像百科全書,揭示潛在的演化關係和遺傳特徵;而蛋白質則更像日常報紙,能呈現生物實際的生理功能與生活樣貌,提供對古代生活的寶貴洞見。

這項分析技術結合化學、分子生物學與高解析度儀器,透過串聯質譜法(tandem mass spectrometry, MS)提取並分析化石材料中保存的蛋白質,重建胺基酸序列。Cappellini 曾成功從約 80 萬年前在西班牙發現的古人類物種智人祖先(Homo antecessor)牙釉質中提取蛋白質,直接分析其演化關係。由於該年代與環境下DNA幾乎不可能保存,這項突破證明了蛋白質分析的巨大潛力。2019 年,Cappellini 團隊從喬治亞國德馬尼西發現的 177 萬年前犀牛化石中,成功恢復牙釉質蛋白質,刷新了當時從哺乳動物獲取基因資訊的最古老紀錄。他們近期更進一步,從約 2,000 萬至 2,500 萬年前的犀牛化石中恢復蛋白質,這將有助於了解恐龍滅絕後哺乳動物的多元演化。

Morton-Hayward 強調,雖然骨骼和牙釉質是考古學常用材料,但軟組織能提供更豐富的生物學故事。例如,大腦可表達約 75% 的人類蛋白質,涵蓋免疫狀態、代謝活動及調控活動等多元資訊,與生物表型和生理的連結更為密切。全球目前已發現並報告超過 4,400 個保存完好的古代腦組織,為軟組織蛋白質研究提供獨特機會。

儘管古蛋白質體學仍屬新興領域且技術要求高,面臨蛋白質保存極限、樣本污染及數據解讀等挑戰(超過 95% 的蛋白質光譜仍無法被識別,被稱為「黑暗古蛋白質組」),研究人員正積極利用人工智慧(AI)、降解模型及實驗性衰變研究來克服這些困難。長遠目標是建立專為古代分子設計的參考框架,並期望將古蛋白質體學與古代DNA、同位素分析和考古證據結合,提供對已滅絕生物與過去人類族群更全面的多維度重建。目前,古代DNA最多只能回溯約 50 萬年前的歐洲或中亞樣本,而人類演化過程長達 700 萬至 800 萬年,古蛋白質體學將能填補這段時間的巨大空白,將化石轉化為珍貴的生化檔案,揭示古代生物的功能、適應與生活。

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