研究人員發(fā)現(xiàn)了一種合理的進化環(huán)境，其中核酸——生命的基本遺傳組成部分——可以實現(xiàn)自身的復制，可能從而導致地球上的生命。
這項研究今天以預印本的形式發(fā)表在eLife上，編輯們認為這是一項重要的工作，它提供了令人信服的證據(jù)，表明一個簡單的地球物理環(huán)境，即氣流通過狹窄的水道，可以創(chuàng)造出一個導致核酸復制的物理環(huán)境。這項研究將引起研究生命起源的科學家的興趣，更廣泛地說，也會引起研究核酸和診斷應用的科學家的興趣。
地球上生命的出現(xiàn)仍是一個未解之謎，但一個普遍的理論認為，遺傳物質(zhì)(核酸 DNA 和 RNA)的復制是一個核心且關(guān)鍵的過程。RNA 分子可以存儲遺傳信息，并通過形成雙鏈螺旋來催化自身的復制。這些能力的結(jié)合使它們能夠變異、進化并適應不同的環(huán)境，并最終編碼生命的蛋白質(zhì)組成部分。
為了實現(xiàn)這一點，RNA 鏈不僅需要復制成雙鏈形式，還需要再次分離以完成復制周期。然而，在復制所需的高鹽和核酸濃度下，鏈分離是一項艱巨的任務。
“人們研究了各種機制，以了解它們在生命起源時分離 DNA 鏈的潛力，但它們都需要溫度變化，而這會導致核酸降解，”主要作者、德國慕尼黑路德維希馬克西米利安大學系統(tǒng)生物物理學博士生 Philipp Schwintek 說道。
“我們研究了一種簡單而普遍的地質(zhì)情景，即水通過巖石孔隙流動，被一種氣體通過巖石滲透到地表而干燥。這種環(huán)境在早期地球的火山島上非常常見，為 RNA 合成提供了必要的干燥條件。”
研究團隊建立了巖石孔隙的實驗室模型，其中向上的水流在與垂直氣體流的交匯處蒸發(fā)，導致溶解氣體分子在表面積聚。同時，氣體流在水中引起環(huán)流，迫使分子回到體內(nèi)。為了了解該模型如何影響環(huán)境中的核酸，他們使用珠子監(jiān)測水流的動態(tài)，然后跟蹤熒光標記的短 DNA 片段的運動。
“我們原本預期持續(xù)蒸發(fā)會導致 DNA 鏈在界面處積聚，”Schwintek 說道。“事實上，我們發(fā)現(xiàn)水在界面處持續(xù)蒸發(fā)，但水面中的核酸在氣體/水界面附近積聚。”在開始實驗的五分鐘內(nèi)，DNA 鏈的積聚量增加了三倍，而一小時后，界面處積聚的 DNA 鏈增加了 30 倍。
雖然這表明氣體/水界面允許足夠的核酸濃度以進行復制，但雙鏈 DNA 的分離也是必要的。通常需要改變溫度，但當溫度恒定時，需要改變鹽濃度。
“我們假設，由氣體通量提供的界面處的循環(huán)流體流動與被動擴散一起，將通過迫使核酸通過具有不同鹽濃度的區(qū)域來驅(qū)動鏈分離，”資深作者、慕尼黑大學系統(tǒng)生物物理學教授迪特爾·布勞恩 (Dieter Braun) 解釋道。
為了驗證這一點，他們使用了一種稱為 FRET 光譜的方法來測量 DNA 鏈分離——高 FRET 信號表明 DNA 鏈仍然結(jié)合，而低 FRET 則表明鏈分離。正如預期的那樣，F(xiàn)RET 信號最初在氣水界面附近增加，表明形成了雙鏈 DNA。但在實驗過程中，當水向上流動時，F(xiàn)RET 信號很低——表明是單鏈 DNA。
此外，當研究小組將這些數(shù)據(jù)與水流和鹽濃度的模擬結(jié)果疊加時，他們發(fā)現(xiàn)氣水界面處的渦流導致鹽濃度變化高達三倍，有可能導致鏈分離。
盡管核酸和鹽在氣水界面附近聚集，但在大部分水中，鹽和核酸的濃度仍然非常低。這促使研究小組測試核酸復制是否真的可以在這種環(huán)境中發(fā)生，方法是將用熒光染料標記的核酸和可以合成雙鏈 DNA 的酶添加到巖石孔隙的實驗室模型中。與正常的實驗室 DNA 合成反應不同，溫度保持在恒定溫度，反應暴露在水和氣體的混合流入中。
兩小時后，熒光信號增加，表明雙鏈 DNA 分子復制數(shù)量增加。然而，當關(guān)閉氣體和水流入時，沒有觀察到熒光信號的增加，因此也沒有看到雙鏈 DNA 的增加。
“在這項研究中，我們調(diào)查了一個可能引發(fā)早期生命復制的合理而豐富的地質(zhì)環(huán)境，”布勞恩總結(jié)道。“我們考慮了一種氣體流過充滿水的開放巖石孔隙的環(huán)境，溫度沒有任何變化，我們發(fā)現(xiàn)氣體和水的結(jié)合流動可以引發(fā)支持 DNA 復制的鹽波動。
“由于這是一個非常簡單的幾何形狀，我們的發(fā)現(xiàn)極大地擴展了可以在早期行星上復制的潛在環(huán)境的范圍。”
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