重现RNA可能的自我复制过程

科学家认为，在最早的生命形态中，遗传物质曾由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（即可能在生命起源时发生的方式）实现RNA链的复制已被证明充满挑战。RNA链会拉链式结合形成双螺旋结构，阻碍其复制。如同魔术贴一般，这些结构难以分离却又极易重新粘合，导致没有足够时间进行复制。

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，并添加酸与热量（使双螺旋分离）克服了这一难题。随后他们将溶液中和并冷冻。在冰晶间的液态间隙中，他们观察到三联体构件包覆了RNA链，阻止其重新结合——从而实现了复制。

通过解冻并重启循环，pH值和温度的反复变化（在自然界中可能发生）使得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——一种编码在遗传物质中、代代相传的分子记忆。这个过程的发生必须通过信息的复制（即复制）才能实现传递。"

第一作者詹姆斯·阿特沃特博士（伦敦大学学院化学系与MRC分子生物学实验室）指出："复制是生物学的根基。某种意义上，这正是我们存在于此的原因。但生物学中已找不到首个复制因子的踪迹。

"即便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。但该假说面临的核心难题是：我们始终无法使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。

"我们不能依赖如今生物学中存在的复杂酶来完成这个过程，它需要一个简单得多的解决方案。我们设计的这种变化条件可在自然界中天然形成，例如昼夜温度循环，或热岩石接触冷空气的地热环境。

"我们使用的三字母RNA构件（称为三核苷酸）在当今生物学中不存在，但它们能显著简化复制过程。最早期生命形态很可能与我们已知的任何生命形式都截然不同。

"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。"

虽然论文仅聚焦化学过程，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，尤其在地热区域——那里地球内部热量已到达地表。

然而，这种RNA复制不能在冻融盐水中发生，因为盐分会干扰冻结过程，并阻碍RNA构件达到复制RNA链所需的浓度。

研究人员指出，虽然高浓度RNA也可以通过蒸发实现（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。

生命起源可能并非仅由RNA主导，而是被认为源于RNA、肽（构成蛋白质基础的氨基酸短链）、酶以及形成保护性屏障的类脂物（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（LMB）的数位研究人员正在揭示生命起源的线索。近年来，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：利用早期地球可能大量存在的简单分子构件，化学反应如何能创造出生命起源的诸多关键分子——包括核苷酸（RNA和DNA的构件）、氨基酸与肽（蛋白质的构件）、简单类脂物以及部分维生素的前体。

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