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文2978:冰冻和融化的反复循环驱动了生命诞生的关键一步

分类:文字经典 作者:阳光倾城 评论:0 点击: 532 次 日期:2015-07-26

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近日,英国研究人员证实:反复冻融可以促使首个复杂的RNA酶(有催化能力的RNA,即核酶)在早期地球上出现,而这正是生命进化的关键步骤。

  

 

反复冻融(冷冻-解冻循环)有助于这些短小的RNA片段(上图用不同颜色表示)组装成结构更加复杂的RNA。

 

这些工作再次为“RNA世界”(生命起源于RNA)假说提供了支持。该假说认为:短序列的前体RNA分子,先是通过前生命化学过程(prebiotic
chemistry)合成的,然后才获得了诸如携带信息和催化反应之类的自我复制必备的能力。

 

但是令科学家们一直感到困惑的是:这些仅由不到30个核苷酸组成的短链寡核苷酸,是在什么力量的催化下组装成了结构高度复杂的核酶?此前,所有报导均表明:合成具有催化活性的RNA分子,至少需要几百个核苷酸。而在前生命环境下,在没有催化剂的条件下是不可能发生的。

 

英国剑桥大学的Hannes
Mutschler是这篇论文的第一作者。他解释道,“据我们所知,这是首次成功利用RNA片段组装出复杂的核酶,这些RNA片段足够小,所以对于前生命反应是可信的。我们非常惊讶的看到:这些小RNA分子在反复冻融的条件下聚集在一起,高效地组装成大RNA分子。

 

研究人员选用高效的RNA多聚酶核酶作为实验材料,这种酶应该类似于最原始的RNA复制酶。接下来,研究人员将它们分割为每段不超过30个核苷酸的小片段。此外,他们也对发卡状核酶hairpin做了相同的处理,该种酶是天然的RNA催化剂。实验结果表明:在反复冻融的条件下,这些小片段很容易重新组装成聚合酶,从而具备生物活性。

 

Mutschler解释道:“我们发现简单的冷冻不能使这些片段聚合成核酶,因为在这种条件下,这些反应物处于稳定态。这对很多小分子核酶来说是一个常见的问题。不过,要想解决该问题,只需在反应物进入下一个冷冻过程之前,加入一个简单的升温过程,就可使反应物从稳定态转变为活跃态。

 

Mutschler补充道:“我们的工作表明:最初的装配物可能已经出现于原始的湖中,就是通过由前化学化学活动合成的小分子RNA,然后,这些小分子通过形成组装网络,引导自身组装成具有催化功能的更加复杂的结构。在一些情况下,这可能会形成一个正反馈,即组装产物有助于生成更多的RNA分子,而这些分子会进入系统,成为组装网络的一部分。

 

意大利罗马大学(Sapienza University of Rome)的Ernesto Di
Mauro在今年早期曾发表过一篇文章,该文章首次对首个寡核苷酸如何通过化学反应获得催化功能,建立了合理的化学模型。他评论道:“Mutschler领导的这项研究,不但反应体系是可信的,而且这种类型的研究也是史无前例的。我们清楚的看到,物理-化学过程的循环可以代替本来必备的活性化学反应条件,还有什么方法比温度的更迭起伏更自然呢?”(翻译:杨镐羽
  审稿:林然)

原文链接:

http://www.rsc.org/chemistryworld/2015/05/ancient-rna-enzymes-ribozymes-freeze-thaw-cycles

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