化学家首次重现RNA可能的自我复制方式

科学家认为，在最早期生命形式中，遗传物质由RNA链携带和复制，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（即可信地模拟生命起源时可能发生的过程）实现RNA链复制一直是个挑战。RNA链会配对形成双螺旋结构阻碍其复制。如同魔术贴，它们难以分离却极易重新粘合，没有留下复制所需的时间。

在《自然·化学》期刊发表的研究中，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（使双螺旋解离）克服了该难题。随后将溶液中和并冷冻。在冰晶间的液态间隙中，他们观察到三联体构件包裹RNA链，阻止其重新配对——从而使复制得以发生。

通过解冻并重启循环，pH值和温度的反复变化（这在自然界可能发生）使RNA得以持续复制，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。

研究负责人Philipp Holliger博士（MRC分子生物学实验室）表示："分子记忆编码于遗传物质中代代相传的信息，是将生命与纯化学区分的关键。该过程的发生必须通过复制实现信息传递。"

第一作者James Attwater博士（伦敦大学学院化学系与MRC分子生物学实验室）指出："复制是生物学的基石。某种意义上，这正是我们存在的原因。但生物学中已无初代复制因子的踪迹。

"即使是所有已知生命的祖先——最后普遍共同祖先（LUCA），这种单细胞生物也是相当复杂的实体，其背后隐藏着大量我们无从知晓的进化历史。

"我们最合理的推测是早期生命由RNA分子驱动。但该假说的重大难点在于：我们无法使RNA分子在数十亿年前生命诞生前可能存在的条件下实现自我复制。

"我们无法依赖当今生物学中执行该功能的复杂酶。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，或热岩体接触冷空气的地热环境。

"我们使用的三联体RNA构件（称为三核苷酸）在当今生物学中不存在，但它们可实现更简易的复制。最早期生命形态很可能与已知的任何生命形式大相径庭。

"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过程，但研究团队表示其创建的条件可信地模拟了淡水池塘或湖泊环境，尤其是地热活动区——地球内部热量到达地表的区域。

然而，这种RNA复制无法在冻融盐水中发生，因为盐分干扰冷冻过程，阻碍RNA构件达到复制RNA链所需的浓度。

研究人员指出，虽然高温蒸发（如水坑干涸）也可实现RNA高浓度富集，但RNA分子在高温下不稳定，更易降解。

生命起源可能并非仅由RNA驱动，而应源自RNA、肽（构成蛋白质基础的氨基酸短链）、酶与屏障形成脂质（可保护组分免受环境影响）的组合。

伦敦大学学院与MRC分子生物学实验室的多个研究团队正揭示生命起源的线索。近年，John Sutherland博士（MRC分子生物学实验室）和Matthew Powner教授（伦敦大学学院化学系）领导的团队已证明：利用早期地球可能富集的简单分子构件，化学过程可产生诸多生命起源关键分子，包括核苷酸（RNA和DNA构件）、氨基酸与肽（蛋白质构件）、简单脂质及部分维生素前体。

该最新研究获得了英国研究与创新署（UKRI）下属医学研究理事会（MRC）、英国皇家学会以及大众汽车基金会的支持。