Nature子刊：RNA如何在早期地球上复制？

　　

伦敦大学学院和 MRC 分子生物学实验室的化学家们证明了 RNA（核糖核酸）如何在早期地球上自我复制——这是生命起源的一个关键过程。

科学家认为，在最早的生命形式中，遗传物质是由 RNA 链携带和复制的，后来 DNA 和蛋白质出现并占据主导地位。

然而，在实验室中以一种简单的方式（即在生命之初就可能发生的方式）复制RNA链却颇具挑战性。RNA链会卷成双螺旋结构，阻碍其复制。就像尼龙搭扣一样，它们很难被拉开，却又能迅速粘在一起，根本来不及复制。

在《Nature Chemistry》杂志发表的一项研究中，研究人员克服了这个问题，他们利用水中三个字母的“三联体”RNA结构单元，并加入酸和热，从而分离了双螺旋结构。然后，他们将溶液中和并冷冻。在冰晶之间的液体间隙中，他们观察到三联体结构单元覆盖了RNA链，阻止了它们重新连接在一起，从而使复制得以进行。

通过解冻并再次开始循环，pH 值和温度的反复变化（这在自然界中可能发生）使 RNA 能够反复复制，RNA 链足够长，具有生物功能并在生命起源中发挥作用。

领导这项研究的Philipp Holliger博士（MRC分子生物学实验室）表示：“生命与纯化学的区别在于信息，信息是编码在遗传物质中的分子记忆，可以代代相传。为了实现这一过程，信息必须被复制，才能得以传承。”

主要作者James Attwater博士（伦敦大学学院化学系和MRC分子生物学实验室）说：“复制是生物学的基础。从某种意义上说，这就是我们存在的原因。但在生物学中却找不到第一个复制基因的踪迹。”

“即使是所有已知生命的祖先——单细胞生物——最后的共同祖先（LUCA），也是一个相当复杂的实体，它的背后隐藏着许多我们不知道的进化历史。

“我们最好的猜测是，早期生命是由RNA分子控制的。但这一假设的一个大问题是，我们还无法让RNA分子以几十亿年前生命开始之前可能发生的方式进行自我复制。

“我们不能像当今生物学那样依赖复杂的酶来实现这一点。我们需要一个更简单的解决方案。我们设计的变化条件可以自然发生，例如昼夜温差循环，或者在热岩石与冷大气相遇的地热环境中。我们使用的RNA的三联体或三个字母的组成部分，称为三核苷酸，在今天的生物学中已经不存在了，但它们可以更容易地进行复制。最早的生命形式可能与我们所知的任何生命形式都截然不同。我们试图建立的生物物种模型需要足够简单，以便从早期地球的化学反应中诞生。”

虽然该论文仅仅关注化学反应，但研究小组表示，他们创造的条件可以模拟淡水池塘或湖泊中的条件，特别是在地球内部热量到达地表的地热环境中。

然而，RNA 的复制无法在冰冻和解冻的盐水中进行，因为盐的存在会干扰冷冻过程并阻止 RNA 构建块达到复制 RNA 链所需的浓度。

研究人员表示，虽然高浓度的 RNA 也可以通过蒸发产生，例如高温下蒸发的水坑，但 RNA 分子在较高温度下不稳定，更容易分解。

生命的起源可能不仅仅在于 RNA，还被认为是由 RNA、肽（蛋白质的组成部分——短链氨基酸）、酶和可以保护这些成分免受环境影响的屏障脂质的组合而产生的。

伦敦大学学院 (UCL) 和 MRC 分子生物学实验室 (LMB) 的几位研究人员正在探索生命起源的线索。近年来，由John Sutherland博士 (LMB) 和Matthew Powner教授 (UCL 化学系) 领导的团队已经证明，化学反应能够从早期地球上可能丰富的简单分子结构单元，创造出许多生命起源的关键分子，包括核苷酸（RNA 和 DNA 的组成部分）、氨基酸和肽（蛋白质的组成部分）、简单脂质以及某些维生素的前体。

这项最新研究得到了英国研究与创新署（UKRI）下属的医学研究委员会（MRC）、皇家学会和大众基金会的支持。