如果没有细胞区室，脆弱的RNA分子在早期地球上将面临重大障碍。它们需要足够频繁地相遇以进行相互作用，同时还要在炎热、酸性且化学条件苛刻的环境中生存。
一种可能的解决方案是RNA聚集形成称为凝聚物的液滴状结构的能力。这些结构没有膜，但它们能将RNA分子集中在一个地方。这可能增加了化学相互作用的机会，同时也提供了一些免受恶劣环境影响的保护。
为什么RNA如此容易形成液滴
由布法罗大学主导的一项新研究有助于解释为什么RNA特别擅长形成这些凝聚物。这项研究发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上，研究表明，RNA和DNA之间极其微小的化学差异会强烈影响RNA在温度升高时形成液滴的难易程度。
这一化学特征似乎也使RNA凝聚物更有可能发展出相互连接的网络，并从流体状态转变为更坚硬的凝胶状结构。
“这些发现首次揭示了分子化学中极其微小的变化如何控制像RNA凝聚物这样大得多的自组织生物分子结构的出现，”通讯作者、布法罗大学物理系二十世纪俱乐部教授Priya R. Banerjee博士说。“它们可能使我们最终能够解决更深层的问题，例如这些凝聚物是否帮助弥合了简单分子与最早生命形式之间的鸿沟。”
该研究是与普林斯顿大学化学与生物工程助理教授Jerelle Joseph博士合作进行的。该研究得到了美国国立卫生研究院、美国国家科学基金会和假设基金（Hypothesis Fund）的支持。
检验RNA世界假说中的一个关键观点
这项工作是Banerjee对RNA世界假说更广泛研究的一部分，该假说认为RNA在地球上生命的出现中发挥了核心作用。
RNA很不寻常，因为它既能储存遗传信息，又能帮助驱动化学反应。这些能力可能使早期RNA分子进行化学反应，最终促成了DNA、蛋白质和第一批细胞的出现。
然而，RNA世界假说长期以来一直面临着一些重大的未解之谜。RNA相对不稳定，这就引出了它如何在严酷的前生物条件下生存的问题。科学家还需要解释在细胞膜存在之前，足够多的RNA分子是如何聚集在同一个地方进行相互作用的。
RNA凝聚物可能提供了部分答案。
Banerjee主导的2023年的一项研究表明，RNA在高温下具有自然组织成液滴状结构的倾向。这项新工作建立在这些发现的基础上，直接将RNA与包含基本相同序列的单链DNA进行了比较。
RNA比DNA更容易凝聚
在实验室实验中，研究人员发现RNA在比相应的DNA低约10摄氏度的温度下开始形成液滴。这表明RNA具有强得多的凝聚倾向。
RNA分子也更有可能在液滴内部形成连接的网络。随着这些网络的发展，液滴从更具流动性的物质变成了更像凝胶的物质。这种转变可能有助于在困难的环境条件下保护RNA。
原因似乎归结于分子结构上极其微小的差异。
在化学上，RNA和DNA在每个糖单元上仅相差一个氧原子。每个RNA糖都包含一个称为2′-羟基（2′-OH）的化学基团，而DNA则没有。
微小的化学差异产生巨大影响
为了了解这一特征如何改变RNA的行为，研究人员使用了控温显微镜、小角X射线散射以及由Joseph团队进行的分子动力学模拟。
他们的结果表明，2′-OH使RNA能够与镁离子发生更强的相互作用。与DNA相比，RNA在其骨架周围似乎保留了更少的水分子。
这些差异共同使得RNA分子在温度升高时更容易相互接近并组装。
研究团队通过将其化学修饰为2′-Ome（类似于许多天然RNA中的情况），进一步测试了2′-OH的重要性。这种修饰降低了RNA形成凝聚物的倾向，也改变了所形成的结构是保持流体状态还是转变为凝胶状状态。
“RNA糖上的这个单一含氧基团对于这些分子是否会聚集在一起、保持动态还是被锁定成凝胶状物质具有惊人的强大影响，”第一作者、Banerjee实验室博士后Gable Wadsworth博士说，他将于今年秋季加入德克萨斯大学埃尔帕索分校担任助理教授。
构建行为类似细胞的RNA区室
Banerjee的实验室现在正试图将这些发现向前推进一步，通过工程化改造RNA液滴，使其能够执行细胞所进行的一些基本活动，包括生化反应。
研究人员正在努力对这些液滴进行编程，使它们表现为活跃的、动态的、细胞大小的区室。如果成功，这项工作将为创造完全由RNA构成的合成细胞奠定基础。
它还可能为简单分子在现代细胞出现很久之前是如何开始自组织成越来越复杂的系统提供新的见解。
“这些自组织的RNA区室可能是通向单细胞生物过程中的一个步骤，”Banerjee说。