化学家首次重建RNA可能的自我复制过程

科学家认为，在最原始的生命形式中，遗传物质最初是由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阶段的方式）实现RNA链的复制已被证明具有挑战性。RNA链会形成阻碍复制的双螺旋结构。它们像魔术贴般难以分离却极易重新结合，导致没有足够时间进行复制。

《自然-化学》刊登的研究中，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（这能分离双螺旋）克服了该难题。随后他们将溶液中和并冷冻。在冰晶间的液态间隙内，三联体构件包覆RNA链并阻止其重新结合——使得复制得以发生。

通过解冻并重启循环，pH值和温度的反复变化（自然界可能发生的条件）使RNA能够持续复制，产生的RNA链长度足以具备生物功能并在生命起源中发挥作用。

研究负责人Philipp Holliger博士（英国医学研究委员会分子生物学实验室）表示："生命与纯粹化学的区别在于信息——一种编码在遗传物质中的分子记忆，代代相传。这一过程的发生需要信息被复制（即复制）才能传递。"

第一作者James Attwater博士（伦敦大学学院化学系与英国医学研究委员会分子生物学实验室）指出："复制是生物学的根本。某种意义上，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），也是相当复杂的实体，其背后隐藏着大量不为人知的进化史。

"我们最合理的推测是早期生命由RNA分子驱动。但该假说面临的核心难题是：我们尚未能让RNA分子以数十亿年前生命诞生前可能发生的方式实现自我复制。

"我们无法依赖当今生物学中复杂的酶来完成这个过程，它需要更简单的解决方案。我们设计的条件变化可自然发生，例如昼夜温度循环，或地热环境中炽热岩石接触冷空气时。

"我们使用的三联体RNA构件（称为三核苷酸）在现今生物学中并不存在，但它们能大幅简化复制过程。最早期的生命形式很可能与任何已知生命截然不同。

"我们试图构建的生物物种模型必须足够简单，足以从早期地球的化学环境中自然产生。"

尽管论文仅聚焦化学机制，但研究团队表示其实验条件可能合理模拟了淡水池塘或湖泊环境，尤其在地热区域——地球内部热量抵达地表之处。

然而，这种RNA复制无法在冰冻和解冻的盐水中发生，因为盐分干扰冰冻过程，阻碍RNA构件达到复制RNA链所需的浓度。

研究人员补充道，虽然高浓度RNA也可能通过蒸发实现（例如高温下积水蒸发），但RNA分子在高温下不稳定，更易分解。

生命起源可能不仅限于RNA，而是被认为源于RNA、肽（构成蛋白质基本单元的短链氨基酸）、酶以及形成屏障的脂质（可保护这些成分免受环境影响）的组合。

伦敦大学学院和MRC分子生物学实验室的多位研究人员正在揭示生命起源的线索。近年来，John Sutherland博士（LMB）和Matthew Powner教授（UCL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集的简单分子构件中，创造生命起源的多种关键分子——包括核苷酸（RNA和DNA的构件）、氨基酸和肽（蛋白质的构件）、简单脂质及部分维生素前体。

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