化学家首次重现RNA可能的复制方式

科学家认为，在最早的生命形式中，在DNA和蛋白质后来出现并接管之前，遗传物质可能是由RNA链携带和复制的。

然而，在实验室中以简单方式（即可能在生命起源时发生的方式）使RNA链复制被证明具有挑战性。RNA链会拉链式结合成双螺旋结构，阻碍其复制。如同维可牢（Velcro），它们很难拉开却极易重新粘合，没有留下复制的时间。

在发表于《自然·化学》的一项研究中，研究人员通过在水中使用三字母"三联体"RNA构件，并添加酸和加热来分离双螺旋，从而克服了这一难题。随后他们将溶液中和并冷冻。在冰晶之间的液态间隙中，他们观察到三联体构件包覆了RNA链，阻止其重新拉链式结合——从而实现了复制。

通过解冻并重新开始循环，pH值和温度的重复变化（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。

领导该研究的菲利普·霍利格博士（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。要使这一过程发生，信息必须被拷贝，即复制，才能传递下去。"

第一作者詹姆斯·阿特沃特博士（伦敦大学学院化学系和MRC分子生物学实验室）说："复制是生物学的根基。从某种意义上说，这就是我们存在的原因。但生物学中并未留下首个复制因子的痕迹。

"即使是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，其背后隐藏着许多我们无从知晓的进化史。

"我们最好的推测是早期生命由RNA分子驱动。但该假说面临的一大难题是，我们一直未能使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，就像当今生物学中那样。它需要一个简单得多的解决方案。我们设计的这些变化条件可以自然发生，例如昼夜温度循环，或是地热环境中炽热岩石接触寒冷大气的情况。

"我们使用的三联体或三字母RNA构件（称为三核苷酸）在当今生物学中不存在，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环境中自然产生。"

尽管论文仅聚焦于化学过程，但研究团队表示，他们创造的条件可能合理地模拟了淡水池塘或湖泊的环境，尤其是地球内部热量到达地表的地热环境。

然而，这种RNA复制无法在冰冻和解冻的盐水中发生，因为盐的存在会干扰冻结过程，阻止RNA构件达到复制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。

生命的起源很可能并非仅依赖于RNA，而是被认为产生于RNA、肽（构成蛋白质基本单元的短链氨基酸）、酶以及可保护这些成分免受环境影响并能形成屏障的脂质的组合。

伦敦大学学院和MRC分子生物学实验室（LMB）的数位研究人员正在揭示生命起源的线索。近年来，由约翰·萨瑟兰博士（LMB）和马修·波纳教授（伦敦大学学院化学系）领导的团队已证明化学过程如何从早期地球可能富含的简单分子构件中，创造出诸多生命起源的关键分子，包括核苷酸（RNA和DNA的构件）、氨基酸和肽（蛋白质的构件）、简单脂质以及某些维生素的前体。

本研究获得了英国研究与创新署（UKRI）下属医学研究委员会（MRC）、皇家学会以及大众汽车基金会的支持。