Only Perception: 地球生命從何來？ DNA 分子的液晶相給線索

2007-11-26

地球生命從何來？ DNA 分子的液晶相給線索

Liquid crystal phases of tiny DNA molecules point up new scenario for first life on Earth
http://www.physorg.com/news114963214.html

November 22, 2007

一個由科羅拉多大學 Boulder 分校與米蘭大學所領軍的團隊，發現某些超短 DNA 分子在浸入水中時，所產生的、意料之外的液晶形態，替生命從地球上浮現的關鍵步驟中提供了新的情節。

CU-Boulder 物理學教授 Noel Clark 表示，該團隊出乎意料地發現，當 DNA 短片段置入水溶液中時，能組合成數種不同的液晶相（liquid crystal phases），那彼此能自我以平行方向排列並堆疊成圓柱狀。大部分的人相信生命是從遠古有機分子「原生湯（prebiotic soup）」當中，類似 DNA 或 RNA 的分子中浮現。

一篇該主題的論文發表在 11/23 當期的 Science 上。這篇論文由來自於 CU-Boulder 的 Clark, Michi Nakata 與 Christopher Jones；與米蘭大學的 Giuliano Zanchetta 和 Tommaso Bellini；以及 Argonne National Laboratory 的 Brandon Chapman and Ronald Pindak of Brookhaven National Laboratory 與 Julie Cross 所撰寫。其中的（第一作者）Nakata 於 2006 年 9 月逝世。

要透過隨機的化學作用，形成像 DNA 那樣一致的分子鏈實質上是不可能的事，Clark 說，科學家已在尋找讓簡單分子能夠自發地自我選擇、「串在一起」與自我複製的有效方法。這項新研究證實，在微小的 DNA 碎片混合中，這些分子能夠選擇性地形成液晶、凝聚成液滴，在那種狀態下有利於它們在化學上連接成較長的分子，同時強化液晶的形成的傾向，他說。

"我們發現，即使是微小 DNA 雙螺旋碎片都能自發性的自我組裝成包含許多分子的柱狀，" Clark 說。"我們從古代分子的聚集開始觀察，當大部分的分子碎片都有能力凝聚成液晶液滴時，短小 RNA 片段或某些在結構上相關的前驅物就會浮現，接著能選擇性地發展成較長的分子。"

液晶（Liquid crystals）-- 跟肥皂相關的有機物質，那展現出固態與液態這二種特性 -- 通常用於電腦顯示器、平板電視、手機、計算機與手錶。大部分的液晶相（態）分子都是成桿狀，而且能以同一方向大範圍的自然地排列，這讓它們對溫度改變或所施加的電壓這類刺激格外敏感。

RNA 與 DNA 是具有取代基（side group），即所謂的核苷酸（nucleotides）或鹼基（bases），的鏈狀聚合物，那只能選擇性地讓特定鹼基黏附在次要鏈（second chain）上。匹配或互補的鹼基序列能讓鏈成對，並形成眾所皆知的雙螺旋結構。遺傳資訊沿著這些鏈被編碼成數千到數百萬個鹼基，長度範圍是幾微米到幾毫米。（譯註，關於單位用法請見：http://www.bud.org.tw/Ma/Ma06.htm）

這樣的 DNA 聚核苷酸（polynucleotides）先前已證實能組織成液晶相，其中分子鏈自發地彼此以平行方向排列，他說。研究者了解液晶組織之所以會出現是因為 DNA 瘦長的分子形狀所致，這讓平行排列更加容易，很像把義大利麵條扔進盒中後搖晃，容易以平行方式排列一樣，Clark 說。

CU-Boulder 與米蘭大學團隊開始進行一系列實驗觀察 DNA 片段在多短的情況下仍可出現液晶般的排列，Clark 說。該團隊發現，即便 DNA 片段只有 6 個鹼基這麼短，當與互補的片段配對時（一起量長度只有 2 奈米長與直徑 2 奈米寬），不管形狀幾乎沒有伸長，仍可自我組成液晶相。

液晶相的結構分析顯示，它們之所以會出現，是因為短鏈 DNA 雙螺旋對能末端對末端地彼此相黏，形成桿狀聚集，接著能表現出如長鏈 DNA 片段一樣的行為。之所以會相黏是因為在短鏈 DNA 片段末端發現了一小段多油的補丁（oily patches），當它們將 DNA 片段之間的水驅走時，那能協助它們以可逆的方式黏附在一起 -- 與磁扣十分雷同，Clark 說。

所採用的一種關特性描述技術是與現場（in-situ）光學顯微鏡結合的 X-ray microbeam diffraction（X 光微束繞射），由來自於 Argonne 及 Brookhaven 國家實驗室的研究者所完成。這個團隊使用一種稱為氬先進光子源（APS）的同步加速器，那能夠以大小只有幾微米的單一液晶 orientation domains（方向疇），探測「奈米 DNA」分子組織。這些實驗提供奈米 DNA 在流動液晶相中形成柱狀堆疊的直接證據。

"涉及早期生命的關鍵觀察是奈米 DNA 股的聚集，那只有在它們形成雙鏈體（duplexes）時才有可能，" Clark 說。"在一個鏈的樣本中，鹼基沒有相配，而鏈無法形成雙螺旋，我們沒並沒有觀察到液晶排列。"

由該團隊所進行的後續測試涉及互補與非互補 DNA 片段之溶液的相混，Clark 說。這項結果指出，本質上，所有的互補 DNA 位元都能凝聚成液晶液滴，自然地將它們從不互補的 DNA 片段中分離。

"我們發現這會是一個相當值得注意的結果，" Clark 說。"這表示小分子有能力以正確方式配對，能把彼此找出來，然後聚集成液滴，那從內部自我組織，以促進較大的、可成對的分子成長。"

"在本質上，液晶相凝聚選擇出適當的分子成份，然後在正確的化學作用下，能演化成較大的分子元件，傾向將液晶相穩定。如果這是對的，DNA 本身的直線聚合物形狀，就是液晶排列形成之後的遺跡。"

※ 相關報導：

＊ End-to-End Stacking and Liquid Crystal Condensation of 6– to 20–Base Pair DNA Duplexes
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/318/5854/1276

Michi Nakata, Giuliano Zanchetta, Brandon D. Chapman,
Christopher D. Jones, Julie O. Cross, Ronald Pindak,
Tommaso Bellini, Noel A. Clark
Science 23 November 2007: Vol. 318. no. 5854, pp. 1276 - 1279
DOI: 10.1126/science.1143826