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科学家创造分子模型模拟地球生命细胞形成过程

  据国外媒体报道,美国宾夕法尼亚大学化学家克里斯丁-凯亭与菲利普-贝维拉夸近日在地球早期环境RNA分子研究领域取得了最新成果。他们使用聚合物的大分子创造了一种由RNA构成的类似原始细胞的结构模型。RNA也是一种带有遗传物质的载体,但要比DNA在地球上出现地更早。这种模型模拟了原始细胞在地球的初期是如何对当时的化学环境产生反应的。他们的研究结果发表于《自然科学》期刊上。

  在现代生物学中,人们认为除了一些病毒之外,所有的生命体都是以DNA作为遗传基因信息载体的。在“RNA世界”假说中,RNA被认为是最先出现在地球上。RNA在生物体中不仅作为遗传基因信息载体,还作为一切化学反应功能分子的组成成分。在此之后地球上才慢慢开始出现DNA和蛋白质。与DNA不一样,RNA可以适应不同种类的分子结构类型,因而RNA可以在分子层面完成功能互动。在研究报告中,克里斯丁-凯亭与菲利普-贝维拉夸与克里斯托弗-斯图尔森与罗萨琳-摩尔登两名研究生一起试图对“RNA世界”假说中的一些理论展开深入的探索和研究。

  贝维拉夸称,“RNA世界假说中有一块空白的地方叫做区室化,让RNA仅仅进行悬浮并不足以构成一个分子。RNA必须被分割区分开而且要被固定起来装载足够的信息量。这种封装过程需要发生在一个足够小的空间中,这个空间和现在的细胞结构相似。最简单的事实就是分子与分子之间必须依靠在一起进而发生化学反应。”

  为了测试地球早期的细胞生命结构的形成过程和在缺失脂类分子形成现代细胞结构中细胞膜的情况下如何分隔RNA,斯图尔森与摩尔登在实验室中制造了一种无生命的细胞模型进行相关研究。他们表示,“我们的团队用聚乙二醇和葡聚糖准备了一种溶液剂,这些溶液剂形成了明显的富含聚合物的水体,在这种环境下RNA分子可以自然聚合。”

  研究团队发现,一旦RNA被封装进富含葡聚糖的隔室中,分子就会在物理性质作用下自然链接,继而发生化学反应。“有趣的是,RNA分子的浓度越高,化学反应发生得越快。我们注意到随着浓度的增加,化学反应的速率加快了约70倍。更重要的是,我们证明了RNA分子如果想要发生化学反应,就必须被紧密地分隔在像细胞的空间内。我们的实验结果显示一些分隔机制在地球早期环境中起到了催化剂的作用。” 凯亭补充道,“虽然研究团队认为在地球早期环境中并不会存在聚乙二醇和葡聚糖这样的物质,不过试验的结果还是为当时形成分隔提供了一些合理的解释,这被称为阶段性分离。阶段性分离发生在两种不同的大分子以较大聚合性存在于同一种溶液剂中的时候,它们不会混合在一起,而是会形成两种截然不同的液体,这个过程和油与水自然分开一样。我们用聚乙二醇和葡聚糖模拟而成的溶液剂可以通过加大聚合性来加快生物化学反应的速率。因此也可以认为,在地球早期环境下也有一种类似的溶液剂可以产生类似的效果。” 斯图尔森补充说道,“这些研究结果不仅为‘RNA世界’假说提供了理论,也对现代生物学中RNA在无细胞膜情况下固定位置的研究提供了帮助。”

  研究团队还发现了这样一个现象:RNA链越长,在溶液剂的浓度也就越大。贝维拉夸说,“我们假设这个研究结果可能暗示着某种原始的排序方法。当RNA链变短的时候,RNA分子会拥有较少的酶活性。因此,在地球早期的环境中,长度较长的RNA链会自然聚集到一个区域,而较短的RNA链着会被‘挤’到一边。不过,较短的RNA链还是有可能会发生一些比较重要的生物化学反应。”

  科学家希望通过用其他大分子模型来继续他们的研究。凯亭补充说,“我们对研究浓度较大的大分子系统比较感兴趣,特别是和地球早期环境中存在的情况相似的环境系统。当然,在RNA链依然起着重要作用的现代细胞结构中,我们也希望有更多的发现。”

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