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地球最初的生命形態如何封裝 RNA?

賓州州立大學的研究者開發出一種化學模型,模仿四十億年前地球上細胞生命形成的一個可能階段。利用大型「巨分子」聚合物,科學家創造出原始的類細胞結構,將 RNA(遺傳編碼物質,被認為比 DNA 更早出現在地球上)注入其中,並證明這些分子在那些可能出現於早期地球的環境中,如何進行化學上的反應。《Nature Chemistry》期刊將於 2012/10/14 在線上刊出這項研究。

在現代生物學中,所有的生命型態,除了某些病毒以外,均利用 DNA 做為其遺傳儲存機制。根據「RNA 世界(RNA-world)」假說,RNA 首先出現在地球上,作為遺傳儲存材料以及催化化學反應的功能性分子,DNA 與蛋白質在更晚之後才逐漸形成。不像 DNA,RNA 可採用許多不同的分子構形(conformations),故其在分子的層次上進行功能性交互作用。在這篇即將發行的論文裡,二位化學教授,Christine Keating 與 Philip Bevilacqua,以及二位畢業生,Christopher Strulson 與 Rosalynn Molden,探測 RNA 世界假說中最惱人的謎。

「RNA 世界難題中缺失的一塊是區隔化(compartmentalization,區室化),」Bevilacqua 表示。「分子的數量不足以使 RNA 到處漂浮;它們需要被分隔,且它們需要待在一起而不會擴散開。」這種封裝(packaging,包裹)需要在夠小的空間內發生 — 某種類似現代細胞的東西 — 這是因為一個簡單的化學事實:為了讓化學反應能夠發生,分子需要尋找彼此。

為了測試早期類細胞結構如何形成與作用以區隔 RNA 分子,即便在缺乏類脂分子的情況下(那構成現代的細胞膜),Strulson 與 Molden 在實驗室中產生一種簡單、無生命的模型「細胞」。「我們的團隊使用二種聚合物溶液 — 聚乙二醇(PEG)與右旋糖苷(dextran,葡萄聚糖,葡聚糖,譯註下面改用原文表示。)來製備隔間( compartments),」 Keating 解釋,「這些溶液形成明確的、富含聚合物的水隔間,在其中,如 RNA 那樣的分子可局部濃縮。」

團隊成員發現,一旦 RNA 被封裝至富含 dextran 的間隔內,這些分子能產生物理性關聯(associate physically),導致化學反應。「有趣的是,所封裝的 RNA 濃度愈高,反應愈快發生,」 Bevilacqua 解釋。「我們注意到化學反應速率增加了約 70 倍。最重要的是,我們證明,為使 RNA「做某些事」 — 進行化學反應 — 它得被緊密地區隔到某種如細胞般的東西內。我們以雙水相系統(aqueous two-phase systems,ATPS)進行的實驗已證明,某些區隔化機制在早期地球環境中可能提供了催化。」

Keating 補充道,雖然團隊成員並未指出 PEG 與 dextran 是出現在早期地球上的特定聚合物,不過他們提供了一項線索,關於區隔化之合理路線:相分離(phase separation)。」當二種不同聚合物以相對較高的濃度出現在溶液之中時,相分離就會發生。樣本並非混合,而是分離成二種截然不同的液體,類似油、水如何分離。」Keating 解釋,「我們利用 dextran 與 PEG 製造出來的水相區隔可藉由增加局部反應濃度來驅動生化反應。所以,在早期地球上可能有其他種類的聚合物成為驅動區隔化的分子。」Strulson 補充:「除了 RNA 世界假說外,這些結果也許與現代生物學中非細胞膜間隔內的 RNA 局部化及功能有關。」

團隊成員亦發現,RNA 串的長度愈長,封裝到 ATPS dextran 隔間內的濃度會愈高,而較短的 RNA 串則傾向被晾在一旁(left out)。「我們提出假說,這項研究結果可能暗示某種原始的篩選方法,」Bevilacqua 說,「當 RNA 愈短,其傾向具有較少的酵素活性。所以,在一個類似我們 dextran-PEG 模型系統的早期地球系統中,具完整長度的、有作用的 RNA(functional RNA)可能被篩選並濃縮到某一「相」內,而較短的 RNA,那不僅沒用,而且還作勢要抑制重要的化學反應,可能就不會被納入其中。」

科學家希望以其他聚合物測試其模型細胞方法來繼續其研究。Keating 補充表示,「我們對於觀察聚合物系統的區隔化感到有興趣,那更加接近那些曾出現在早期地球上的東西,而那些也可能出現在當代的生物細胞中,在此,RNA 區隔化對於廣泛的細胞過程來說仍然重要。」

資料來源:Early-Earth cells modeled to show how first life forms might have packaged RNA. Phys.org [October 14, 2012]

轉載自 only perception

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