原細胞是一種核酸鏈包裹在膜結構中形成的簡單系統(tǒng)。
現(xiàn)在,來自麻省總醫(yī)院的科學家在《科學》雜志上報告稱,他們解決了人造原細胞的一個關鍵性問題,即 RNA **的化學要求與膜穩(wěn)定性之間的矛盾。
這項論文的主要作者、09 年諾獎得主 Jack Szostak 表示:我們首次在脂肪酸囊泡中,實現(xiàn)了不涉及酶的 RNA **。在細胞起源研究領域長期存在著一個問題:RNA **需要鎂離子的存在,而高水平的鎂離子會破壞簡單的脂肪酸膜(最初的細胞很可能由這種膜形成)?,F(xiàn)在我們終于找到了解決這個矛盾的辦法。”
多年來,Szostak 的研究團隊致力于細胞起源的研究,試圖理解化合物所組成的原始湯(primordial soup),如何發(fā)展成為能**遺傳物質并繁殖的有機體。研究者們利用遠古地球環(huán)境中可能存在的元素,來構建原細胞模型。他們發(fā)現(xiàn)脂肪酸能夠在水中自動形 成小囊泡,作為容納遺傳學物質(RNA 或 DNA)的膜結構。
現(xiàn)代細胞需要復雜的酶來**核酸,但早期地球上還沒有出現(xiàn)這樣的酶。為此,Szostak 和文章第一作者 Katarzyna Adamala 博士希望能夠在無酶條件下,在脂肪酸囊泡中促使 RNA 進行自我**。
RNA 的組裝需要鎂離子,而鎂離子能夠降解脂肪酸膜,為了解決這一矛盾,研究人員采用了螯合劑,螯合劑是能夠與金屬離子緊密結合的小分子。他們測試了多種螯合劑保護脂肪酸囊泡的能力,發(fā)現(xiàn)檸檬酸鹽非常有效。
隨后,研究者們將短 RNA 引物與長 RNA 模板結合起來,放入脂肪酸囊泡,以測試螯合劑是否允許鎂離子催化 RNA **。該 RNA 模板沒有與引物結合的單鏈部分,存在一個胞嘧啶序列。研究人員向這一系統(tǒng)加入鎂離子、螯合劑和活化的鳥嘌呤 G(G可以與C配對)。
研究顯示,G 能夠擴散進入囊泡的膜,與模板上的C結合,延伸雙鏈 RNA 分子。在幾種螯合劑中,檸檬酸鹽使這一過程進行得最快。研究人員指出,檸檬酸鹽只覆蓋了鎂離子的一面,可以在保護膜結構的同時,允許 RNA **的進行。他們還發(fā)現(xiàn),持續(xù)更新活化的鳥嘌呤溶液能夠增強 RNA **的效率。
不過,盡管檸檬酸鹽適用于在實驗室條件構建人造細胞,但早期地球上的檸檬酸鹽可能無法達到足夠的量。研究人員推測,應該存在某種簡單的多肽,能與檸檬酸鹽起到同樣的作用,現(xiàn)在他們正在尋找這樣的多肽。