正電荷和負(fù)電荷分子的無(wú)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(xué)反應(yīng)。
這些被稱為“復(fù)合凝聚層”的成分也增強(qiáng)了一些核糖核酸分子本身作為酶的能力——這些酶驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)。他們通過(guò)濃縮核糖核酸酶、底物和反應(yīng)所需的其他分子來(lái)做到這一點(diǎn)。測(cè)試和觀察這些凝聚層的結(jié)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(xué)的科學(xué)家發(fā)表了一篇描述這項(xiàng)研究的論文。
“我們感興趣的是你如何從一個(gè)沒(méi)有生命的世界走向一個(gè)有生命的世界，”賓夕法尼亞州立大學(xué)化學(xué)、生物化學(xué)和分子生物學(xué)的杰出教授、這篇論文的資深作者之一Philip C. Bevilacqua說(shuō)?！叭藗兛梢韵胂筮@個(gè)過(guò)程有很多步驟，但我們沒(méi)有考慮最基本的步驟。我們對(duì)接下來(lái)的步驟很感興趣，看看RNA分子是如何從它們的基本構(gòu)件形成的，如果這些RNA分子可以在沒(méi)有蛋白質(zhì)的情況下驅(qū)動(dòng)生命所需的反應(yīng)?！?
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(zhuǎn)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(shè)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(rèn)為是解決這一困境的關(guān)鍵，”居住在賓夕法尼亞州立大學(xué)的西蒙斯起源研究員、這篇論文的第一作者Raghav R. Poudyal說(shuō)?！癛NA分子攜帶遺傳信息，但也可以作為酶來(lái)催化生命早期所需的化學(xué)反應(yīng)。這一事實(shí)引出了這樣一種觀點(diǎn)，即地球上的生命經(jīng)歷了一個(gè)RNA在促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)中發(fā)揮積極作用的階段——“RNA世界”——自我復(fù)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(gè)共同特征是，它分為細(xì)胞，通常有外膜，或細(xì)胞內(nèi)較小的細(xì)胞。這些隔間確保生命化學(xué)反應(yīng)的所有組成部分都很容易獲得，但在益生元世界中，驅(qū)動(dòng)可能導(dǎo)致生命的化學(xué)反應(yīng)所需的核糖核酸或核糖核酸酶的構(gòu)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(shuō)?！叭绻辉诠S的正確位置使用這些零件，裝配線就不會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)。沒(méi)有凝聚層，化學(xué)反應(yīng)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(méi)有膜的原始細(xì)胞——然后允許關(guān)鍵功能，例如分離核糖核酸構(gòu)建塊，并將核糖核酸酶及其目標(biāo)聚集在一起。
Poudyal說(shuō)：“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(zhǎng)?！拔覀兊墓ぷ鞅砻?，即使在沒(méi)有鎂的情況下，由一些材料制成的凝聚層也會(huì)使這種非酶模板介導(dǎo)的RNA組裝成為可能?！?
聚結(jié)層由帶正電荷的分子聚胺和帶負(fù)電荷的聚合物組成，它們聚集在一起，在溶液中形成無(wú)膜隔室。帶負(fù)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(guò)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(biāo)來(lái)驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)。
“盡管我們測(cè)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(xué)化學(xué)教授、該論文資深作者Christine Keating說(shuō)。"這些觀察幫助我們理解不同無(wú)膜區(qū)室中的化學(xué)環(huán)境如何影響RNA反應(yīng)."
Poudyal說(shuō)：“雖然我們不能回頭看地球上形成第一個(gè)生命所采取的確切步驟，但像我們可以在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造的那些凝結(jié)可能有助于促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，否則這是不可能的。
除了Bevilacqua、Poudyal和Keating，賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)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(xiàng)研究得到了西蒙斯基金會(huì)和美國(guó)宇航局的支持。
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