模型表明古代RNA可能如何获得生命所必需的自切割能力

科学家们长期以来一直在思考地球上生命的起源。一种理论认为，RNA普遍存在于生命的各个领域，在早期生命中发挥着核心作用。与DNA类似，RNA具有存储遗传信息的能力。然而，为了启动生命过程，早期RNA还必须具备自我复制和独立催化生化反应的能力，无需专门酶的帮助。

此前，尚不清楚这种复合物的分子如何在没有任何前体的情况下产生。然而，在eLife上发表的一项新研究中，布鲁克海文国家实验室的物理学家AlexeiTkachenko和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校生物工程和物理学教授SergeiMaslov(CAIM联合负责人/CABBI)描述了他们的模型这展示了这样的分子如何获得功能。

“RNA在所有生物体中都得到了很好的保存。因此，RNA在生命中占据中心点就像铁证一样，”Tkachenko解释道。“问题在于现代RNA非常精细且复杂，所以我们想看看生命如何从简单得多的东西中诞生。”

虽然现代RNA依赖酶进行复制和催化活性，但这些酶本身的起源仍然是一个谜。然而，核酶(具有酶特性的RNA分子)的发现，为早期功能聚合物的出现提供了一条可能的途径。

挑战在于了解这些古老的RNA分子如何拥有“切割”其他分子的能力，这是DNA和RNA复制过程中的关键一步。

特卡琴科说：“实验表明，如果实验者人为地选择能够切割其他物质的物质，那么仅依赖少数保守碱基来完成其工作的切割核酶就可以在没有先验信息的情况下自发出现。”“问题在于，目前尚不清楚进化如何选择能够切割物体的东西，本质上是选择破坏性酶。”

为了解决这个问题，研究人员设计了一个模型来模拟缺乏酶活性的基本RNA分子。在该模型中，允许发生随机键断裂，模仿现实世界的化学过程。研究人员观察到，断裂导致了更多断裂聚合物的复制，这意味着能够自我裂解的分子由于其复制能力而受到进化的青睐。

马斯洛夫用一个类比来说明这个概念，将这个过程比作将蚯蚓切成两半，两半都会再生为完整的生物体。

马斯洛夫解释说：“原则上，如果你想用一只蚯蚓制造出许多蚯蚓，你只需开始将它们一根一根地切割即可。”“同样的想法就是为什么在RNA中选择切割，因为当它被切割时，它会从单独的构建块中重新生长。这就是联系，解释了为什么选择第一个核酶来切割东西——因为切割是RNA呈指数增长的方式。成长。”

但催化活性是如何从如此简单的开始产生的呢?在第二个模型中，研究人员展示了RNA分子如何进化成具有功能特性的复杂生态系统，其中这些生态系统中的不同聚合物相互裂解和复制。

他们的模型模拟了一组聚合物链竞争核苷酸“构件”，并切割它们遇到的其他聚合物。聚合物链以特定方式配对(例如现代DNA中的AT核苷酸配对)，因此，模拟中的链形成模板和互补链，本质上是一起工作的。

“配对规则是未来如何保存和传播信息的基础，”马斯洛夫说。“它对于功能也很重要，因为它让位给股中的发夹，形成三维形状，而这些发夹能够发挥酶活性。”

模型中的聚合物复制是基于热相和冷相之间的温度循环(典型的昼夜循环)而发生的，这表明古代聚合物可能依赖于这种循环来生长。岩石等非有机表面也可能促进了这一过程。

这些发现为具有酶活性的核酶的自然出现和选择提供了令人信服的见解，揭示了早期生命进化的一个关键方面。研究人员主张对他们的模型进行实验验证，以证实他们的预测。

此外，他们承认模型中的双向生长与现实生活中DNA和RNA复制中观察到的单向生长之间存在差异。阿列克谢说，他们计划继续调整模型，看看是否能找到导致单向增长的变化。

马斯洛夫说：“我们的基因组研究所以卡尔·沃斯(CarlWoese)的名字命名，他使用核糖体RNA片段来制造生命之树，这并非巧合。”

“核糖体内的RNA对于每一个生物体都是通用的，从细菌到古细菌再到像你我这样的真核生物。这篇论文绝对没有解决生命起源的问题，但它填补了我们对早期RNA是如何产生生命的理解的一个微小空白。发挥着带来生命的作用。”