图片显示RNA链（蓝色）和RNA酶（红色）在葡聚糖滴中聚合在一起
来自宾州大学的研究人员研发出了一种化学模型，能模拟四十亿年前细胞是如何形成的。利用称为多聚物的“大分子”，科学家们创造出了已融合RNA的原始类细胞结构——RNA被认为是地球上在出现DNA之前的遗传物质，这项研究也表明了这种分子在早期可能的地球环境下如何发生化学反应。这一研究成果公布在Nature出版社旗下Nature Chemistry杂志上。
现代生物学认为，所有的生命，除了一些病毒以外都是以DNA作为遗传储存物质。根据“RNA世界”的假说，地球首先出现RNA，这种分子既可以作为遗传的存储材料，也可以用于催化化学反应，之后才是DNA和蛋白质，后两者进化晚得多。与DNA不同，RNA具有多种不同的分子构象，因此能在分子水平上功能互动，在最新这篇文章中，两位教授Christine Keating 和Philip Bevilacqua，与两位研究生Christopher Strulson 和Rosalynn Molden探索了这一RNA世界假说中被反复研究的奥秘。
“RNA世界假说拼图中缺失的一块就是空间划分（compartmentalization），”Bevilacqua说，“仅仅出现了四处飘荡的RNA分子并不够，还需要将这些分子进行功能划分，并确保它们能待在一起，这种包裹要求在一个足够小的空间内进行——这就像是现代细胞，其原因很简单：化学反应要求各种分子能找到对方发生反应。“
模拟首个RNA细胞生命体
为了检验在缺乏现代细胞所具有的脂质分子条件下，早期类细胞结构如何形成，以及RNA分子如何进行划分，Strulson和Molden在实验室中构建了一种简单的，非活体模型“细胞”，“我们研究组利用两种聚合物：聚乙二醇（PEG）和葡聚糖的溶液搭建了空间，”Keating解释说，“这些溶液形成了不同富集聚合物的空间结构，帮助如RNA之类的分子局部集中。”
研究组成员发现，一旦RNA被包裹进富集葡聚糖的空间结构中，RNA分子就能物理性相连，从而发生化学反应。“有趣的是，RNA包裹得越密集，反应发生得越迅速，”Bevilacqua解释说，“我们发现化学反应速率可以高达约70倍。最重要的是，对于RNA“做什么”，能严格进行划分，就像一个细胞，我们进行的双水相系统（ATPS）实验表明一些划分机制也许能在早期地球环境中起到催化作用。”
尽管这并不是说聚乙二醇和葡聚糖就是早期地球上存在的特殊聚合物，但是这项研究却提出了一个划分的合理路线——相位划分（phase separation），“当溶液中存在高浓度，不同类型多聚物的时候，就会出现相位分离，这些样品不会混合，而是形成两个不同的液体，类似油和水分开。”Keating说，“我们利用葡聚糖和PEG只找到水相空间，能通过增加局部反应物的浓度促进生化反应，因此可能存在有其他种类的聚合物推动早期地球的划分”，Strulson补充说，“除了RNA世界假说，这些结果也可能与现代生物学中非膜空间的RNA定位和功能有关。”
研究人员还发现RNA链越长，双水相系统ATPS空间中包裹的RNA浓度越高，而短的RNA链则被排除在外，“我们推测这也许表明某种原始排序方法，”Bevilacqua说，“随着RNA的变短，它的酶活性也随着减少，因此在与葡聚糖-PEG模型相似的早期地球系统中，全长的，功能性RNA被分类排序，浓缩成一个相位，而较短的RNA不仅是功能少，而且也可能抑制重要的化学反应，因此并未被包括进这一相位。”
下一步研究人员将通过其他聚合物验证这一模型，Keating说，“我们感兴趣于更接近早期地球存在的聚合物系统，希望能了解空间生物学中发生的事件，其中RNA划分参与了多种生物学进程。”
RNA catalysis through compartmentalization
Christopher A. Strulson, Rosalynn C. Molden, Christine D. Keating & Philip C. Bevilacqua
RNA performs important cellular functions in contemporary life forms. Its ability to act both as a catalyst and a storage mechanism for genetic information is also an important part of the RNA world hypothesis. Compartmentalization within modern cells allows the local concentration of RNA to be controlled and it has been suggested that this was also important in early life forms. Here, we mimic intracellular compartmentalization and macromolecular crowding by partitioning RNA in an aqueous two-phase system (ATPS). We show that the concentration of RNA is enriched by up to 3,000-fold in the dextran-rich phase of a polyethylene glycol/dextran ATPS and demonstrate that this can lead to approximately 70-fold increase in the rate of ribozyme cleavage. This rate enhancement can be tuned by the relative volumes of the two phases in the ATPS. Our observations support the importance of compartmentalization in the attainment of function in an RNA World as well as in modern biology.
