化学家首次重现RNA可能的繁殖方式

科学家们认为，在最早的生命形式中，遗传物质是由RNA链携带和复制的，之后DNA和蛋白质才出现并接管了这一功能。

然而，在实验室中以简单方式（即可能发生在生命起源之初的方式）使RNA链复制已被证明具有挑战性。RNA链会形成双螺旋结构，阻碍其复制。它们像魔术贴一样，既难以拉开又极易重新粘合，没有时间进行复制。

在《自然-化学》Nature Chemistry杂志描述的一项研究中，研究人员通过在水中使用三字母“三联体”RNA构建单元，并添加酸和加热（这使双螺旋分离）克服了这一问题。随后他们中和并冷冻了溶液。在冰晶之间的液态间隙中，他们观察到三联体构建单元覆盖了RNA链，阻止了它们重新结合——从而使复制得以发生。

通过解冻并重新开始循环，pH值和温度的反复变化（这在自然界中可能发生）使得RNA能够反复复制，产生的RNA链长度足以具备生物学功能，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：“生命与纯粹化学的区别在于信息，即编码在遗传物质中、代代相传的分子记忆。为使这一过程发生，信息必须被复制（即进行复制）才能传递下去。”

第一作者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。但生物学中已找不到第一个复制体的踪迹。

“即使是作为所有已知生命祖先的单细胞生物——最后普遍共同祖先（LUCA），也是一个相当复杂的实体，其背后隐藏着大量我们无从知晓的进化历史。

“我们最好的推测是，早期生命是由RNA分子运行的。但这一假说面临的一个大问题是，我们一直未能让RNA分子以数十亿年前生命开始前可能发生的方式进行自我复制。

“我们不能依赖复杂的酶来完成这一过程，就像当今生物学中发生的那样。它需要一种简单得多的解决方案。我们设计的这种变化条件可以自然发生，例如昼夜温度循环，或在地热环境中炽热岩石与寒冷大气相遇的地方。

“我们使用的三联体或三字母RNA构建单元（称为三核苷酸）在当今生物学中并不存在，但它们使复制变得容易得多。最早的生命形式很可能与我们已知的任何生命都大不相同。

“我们试图构建的生物物种模型需要足够简单，能够从早期地球的化学过程中自然产生。”

尽管该论文仅关注化学过程，但研究团队表示，他们创造的条件可以合理地模拟淡水池塘或湖泊中的环境，尤其是在地热环境中——那里来自地球内部的热量已到达地表。

然而，这种RNA复制无法在冻融的盐水中发生，因为盐的存在会干扰冻结过程，并阻止RNA构建单元达到复制RNA链所需的浓度。

研究人员指出，虽然高浓度RNA也可能通过蒸发实现（例如高温下水坑蒸发），但RNA分子在较高温度下不稳定，更易分解。

生命的起源可能并非仅源于RNA，而是被认为产生于RNA、肽段（构成蛋白质基本单元的短链氨基酸）、酶以及能保护这些成分免受环境影响的屏障形成脂质的组合。

伦敦大学学院和MRC分子生物学实验室（LMB）的多位研究人员正在揭示生命起源的线索。近年来，由John Sutherland博士（LMB）和Matthew Powner教授（伦敦大学学院化学系）领导的团队已证明，化学过程如何能够利用早期地球上可能大量存在的简单分子构建单元，创造出生命起源的许多关键分子，包括核苷酸（RNA和DNA的构建单元）、氨基酸和肽段（蛋白质的构建单元）、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）、皇家学会以及大众汽车基金会的支持。

Story Source:

Materialsprovided byUniversity College London.Note: Content may be edited for style and length.

Journal Reference:

James Attwater, Teresa L. Augustin, Joseph F. Curran, Samantha L. Y. Kwok, Luis Ohlendorf, Edoardo Gianni, Philipp Holliger.Trinucleotide substrates under pH–freeze–thaw cycles enable open-ended exponential RNA replication by a polymerase ribozyme.Nature Chemistry, 2025; DOI:10.1038/s41557-025-01830-y