原始細胞可以提供生命起源的線索

正電荷和負電荷分子的無膜模塊可以將RNA分子聚集在密集的液滴中，使RNA能夠參與基本的化學反應。

這些被稱為“復合凝聚層”的成分也增強了一些核糖核酸分子本身作為酶的能力——這些酶驅(qū)動化學反應。他們通過濃縮核糖核酸酶、底物和反應所需的其他分子來做到這一點。測試和觀察這些凝聚層的結果為重建地球生命起源所需的一些早期步驟提供了線索，這些步驟被稱為益生元“RNA世界”。1月30日，賓夕法尼亞州立大學的科學家發(fā)表了一篇描述這項研究的論文。

“我們感興趣的是你如何從一個沒有生命的世界走向一個有生命的世界，”賓夕法尼亞州立大學化學、生物化學和分子生物學的杰出教授、這篇論文的資深作者之一Philip C. Bevilacqua說?！叭藗兛梢韵胂筮@個過程有很多步驟，但我們沒有考慮最基本的步驟。我們對接下來的步驟很感興趣，看看RNA分子是如何從它們的基本構件形成的，如果這些RNA分子可以在沒有蛋白質(zhì)的情況下驅(qū)動生命所需的反應?！?

我們今天所知道的生命通常需要遺傳物質(zhì)——脫氧核糖核酸，它首先被轉錄成核糖核酸。這兩種分子攜帶蛋白質(zhì)生產(chǎn)的信息，這是生命大多數(shù)功能所必需的，包括產(chǎn)生新的遺傳物質(zhì)。這就為早期地球上的生命起源設置了“雞和蛋”的困境。DNA需要產(chǎn)生蛋白質(zhì)，但蛋白質(zhì)需要產(chǎn)生DNA。

“RNA——或者類似的東西——一直被認為是解決這一困境的關鍵，”居住在賓夕法尼亞州立大學的西蒙斯起源研究員、這篇論文的第一作者Raghav R. Poudyal說。“RNA分子攜帶遺傳信息，但也可以作為酶來催化生命早期所需的化學反應。這一事實引出了這樣一種觀點，即地球上的生命經(jīng)歷了一個RNA在促進化學反應中發(fā)揮積極作用的階段——“RNA世界”——自我復制的RNA分子攜帶遺傳信息，并執(zhí)行目前通常由蛋白質(zhì)執(zhí)行的功能。”

地球上生命的另一個共同特征是，它分為細胞，通常有外膜，或細胞內(nèi)較小的細胞。這些隔間確保生命化學反應的所有組成部分都很容易獲得，但在益生元世界中，驅(qū)動可能導致生命的化學反應所需的核糖核酸或核糖核酸酶的構建模塊可能很少，并漂浮在最初的湯里。

“你可以把這些核糖核酸酶想象成裝配線上生產(chǎn)的汽車，”Poudyal說。“如果不在工廠的正確位置使用這些零件，裝配線就不會運轉。沒有凝聚層，化學反應所需的成分太薄，彼此找不到，但在凝聚層中，酶需要工作的所有部分都在附近。”

因此，研究人員研究了在生命之前可能存在于地球上的各種物質(zhì)，這些物質(zhì)可以形成凝聚層——沒有膜的原始細胞——然后允許關鍵功能，例如分離核糖核酸構建塊，并將核糖核酸酶及其目標聚集在一起。

Poudyal說：“以前人們知道，RNA分子可以在含有高濃度鎂的溶液中組裝和拉長?！拔覀兊墓ぷ鞅砻?，即使在沒有鎂的情況下，由一些材料制成的凝聚層也會使這種非酶模板介導的RNA組裝成為可能?！?

聚結層由帶正電荷的分子聚胺和帶負電荷的聚合物組成，它們聚集在一起，在溶液中形成無膜隔室。帶負電荷的核糖核酸分子也被凝聚層中的多胺吸引。在凝聚層中，RNA分子的濃度比周圍溶液的濃度高4000倍。通過將核糖核酸分子集中在凝聚層中，核糖核酸酶更有可能找到它們的目標來驅(qū)動化學反應。

“盡管我們測試的所有多胺都能參與富含RNA的液滴的形成，但它們支持RNA延伸的能力是不同的，”賓夕法尼亞州立大學化學教授、該論文資深作者Christine Keating說。"這些觀察幫助我們理解不同無膜區(qū)室中的化學環(huán)境如何影響RNA反應."

Poudyal說：“雖然我們不能回頭看地球上形成第一個生命所采取的確切步驟，但像我們可以在實驗室中創(chuàng)造的那些凝結可能有助于促進化學反應，否則這是不可能的。

除了Bevilacqua、Poudyal和Keating，賓夕法尼亞州立大學的研究團隊還包括麗貝卡m古思-梅茲勒、安德魯j維尼斯和埃里卡a弗蘭克爾。這項研究得到了西蒙斯基金會和美國宇航局的支持。

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