來自賓州大學的研究人員研發(fā)出了一種化學模型，能模擬四十億年前細胞是如何形成的。利用稱為多聚物的“大分子”，科學家們創(chuàng)造出了已融合RNA的原始類細胞結構——RNA被認為是地球上在出現(xiàn)DNA之前的遺傳物質，這項研究也表明了這種分子在早期可能的地球環(huán)境下如何發(fā)生化學反應。這一研究成果公布在Nature出版社旗下Nature Chemistry雜志上。

現(xiàn)代生物學認為，所有的生命，除了一些病毒以外都是以DNA作為遺傳儲存物質。根據(jù)“RNA世界”的假說，地球首先出現(xiàn)RNA，這種分子既可以作為遺傳的存儲材料，也可以用于催化化學反應，之后才是DNA和蛋白質，后兩者進化晚得多。與DNA不同，RNA具有多種不同的分子構象，因此能在分子水平上功能互動，在最新這篇文章中，兩位教授Christine Keating 和Philip Bevilacqua，與兩位研究生Christopher Strulson 和Rosalynn Molden探索了這一RNA世界假說中被反復研究的奧秘。

“RNA世界假說拼圖中缺失的一塊就是空間劃分（compartmentalization），”Bevilacqua說，“僅僅出現(xiàn)了四處飄蕩的RNA分子并不夠，還需要將這些分子進行功能劃分，并確保它們能待在一起，這種包裹要求在一個足夠小的空間內進行——這就像是現(xiàn)代細胞，其原因很簡單：化學反應要求各種分子能找到對方發(fā)生反應?！?/SPAN>

為了檢驗在缺乏現(xiàn)代細胞所具有的脂質分子條件下，早期類細胞結構如何形成，以及RNA分子如何進行劃分，Strulson和Molden在實驗室中構建了一種簡單的，非活體模型“細胞”，“我們研究組利用兩種聚合物：聚乙二醇（PEG）和葡聚糖的溶液搭建了空間，”Keating解釋說，“這些溶液形成了不同富集聚合物的空間結構，幫助如RNA之類的分子局部集中?！?/SPAN>

研究組成員發(fā)現(xiàn)，一旦RNA被包裹進富集葡聚糖的空間結構中，RNA分子就能物理性相連，從而發(fā)生化學反應?！坝腥さ氖?，RNA包裹得越密集，反應發(fā)生得越迅速，”Bevilacqua解釋說，“我們發(fā)現(xiàn)化學反應速率可以高達約70倍。最重要的是，對于RNA“做什么”，能嚴格進行劃分，就像一個細胞，我們進行的雙水相系統(tǒng)（ATPS）實驗表明一些劃分機制也許能在早期地球環(huán)境中起到催化作用?！?/SPAN>

盡管這并不是說聚乙二醇和葡聚糖就是早期地球上存在的特殊聚合物，但是這項研究卻提出了一個劃分的合理路線——相位劃分（phase separation），“當溶液中存在高濃度，不同類型多聚物的時候，就會出現(xiàn)相位分離，這些樣品不會混合，而是形成兩個不同的液體，類似油和水分開。”Keating說，“我們利用葡聚糖和PEG只找到水相空間，能通過增加局部反應物的濃度促進生化反應，因此可能存在有其他種類的聚合物推動早期地球的劃分”，Strulson補充說，“除了RNA世界假說，這些結果也可能與現(xiàn)代生物學中非膜空間的RNA定位和功能有關?！?/SPAN>

研究人員還發(fā)現(xiàn)RNA鏈越長，雙水相系統(tǒng)ATPS空間中包裹的RNA濃度越高，而短的RNA鏈則被排除在外，“我們推測這也許表明某種原始排序方法，”Bevilacqua說，“隨著RNA的變短，它的酶活性也隨著減少，因此在與葡聚糖-PEG模型相似的早期地球系統(tǒng)中，全長的，功能性RNA被分類排序，濃縮成一個相位，而較短的RNA不僅是功能少，而且也可能抑制重要的化學反應，因此并未被包括進這一相位?！?/SPAN>

下一步研究人員將通過其他聚合物驗證這一模型，Keating說，“我們感興趣于更接近早期地球存在的聚合物系統(tǒng)，希望能了解空間生物學中發(fā)生的事件，其中RNA劃分參與了多種生物學進程?！?/SPAN>