地球最初的生命形態如何封裝 RNA？

Early-Earth cells modeled to show how first life forms might have packaged RNA
http://phys.org/news/2012-10-early-earth-cells-life-packaged-rna.html

October 14, 2012

賓州州立大學的研究者開發出一種化學模型，模仿四十億年前地球上細胞生命形成的一個可能階段。利用稱為聚合物的大型「巨分子」，科學家創造出原始的類細胞結構，將 RNA（遺傳編碼物質，被認為比 DNA 更早出現在地球上）注入其中，並證明這些分子在那些可能出現於早期地球的環境中，如何進行化學上的反應。Nature Chemistry 期刊將於 2012/10/14 在線上刊出這項研究。

在現代生物學中，所有的生命型態，除了某些病毒以外，均利用 DNA 做為其遺傳儲存機制。根據「RNA 世界（RNA-world）」假說，RNA 首先出現在地球上，作為遺傳儲存材料以及催化化學反應的功能性分子，DNA 與蛋白質在更晚之後才逐漸形成。不像 DNA，RNA 可採用許多不同的分子構形（conformations），故其在分子的層次上進行功能性交互作用。在這篇即將發行的論文裡，二位化學教授，Christine Keating 與 Philip Bevilacqua，以及二位畢業生，Christopher Strulson 與 Rosalynn Molden，探測 RNA 世界假說中最惱人的謎。

"RNA 世界難題中缺失的一塊是區隔化（compartmentalization，區室化），" Bevilacqua 表示。"分子的數量不足以使 RNA 到處漂浮；它們需要被分隔，且它們需要待在一起而不會擴散開。"這種封裝（packaging，包裹）需要在夠小的空間內發生 -- 某種類似現代細胞的東西 -- 這是因為一個簡單的化學事實：為了讓化學反應能夠發生，分子需要尋找彼此。

為了測試早期類細胞結構如何形成與作用以區隔 RNA 分子，即便在缺乏類脂分子的情況下（那構成現代的細胞膜），Strulson 與 Molden 在實驗室中產生一種簡單、無生命的模型「細胞」。"我們的團隊使用二種聚合物溶液 -- 聚乙二醇（PEG）與右旋糖苷（dextran，葡萄聚糖，葡聚糖，譯註下面改用原文表示。）來製備隔間（ compartments），" Keating 解釋。"這些溶液形成明確的、富含聚合物的水隔間，在其中，如 RNA 那樣的分子可局部濃縮。"

團隊成員發現，一旦 RNA 被封裝至富含 dextran 的間隔內，這些分子能產生物理性關聯（associate physically），導致化學反應。"有趣的是，所封裝的 RNA 濃度愈高，反應愈快發生，" Bevilacqua 解釋。"我們注意到化學反應速率增加了約 70 倍。最重要的是，我們證明，為使 RNA「做某些事」 -- 進行化學反應 -- 它得被緊密地區隔到某種如細胞般的東西內。我們以雙水相系統（aqueous two-phase systems，ATPS）進行的實驗已證明，某些區隔化機制在早期地球環境中可能提供了催化。"

Keating 補充道，雖然團隊成員並未指出 PEG 與 dextran 是出現在早期地球上的特定聚合物，不過他們提供了一項線索，關於區隔化之合理路線：相分離（phase separation）。"當二種不同聚合物以相對較高的濃度出現在溶液之中時，相分離就會發生。樣本並非混合，而是分離成二種截然不同的液體，類似油、水如何分離。" Keating 解釋。"我們利用 dextran 與 PEG 製造出來的水相區隔可藉由增加局部反應濃度來驅動生化反應。所以，在早期地球上可能有其他種類的聚合物成為驅動區隔化的分子。" Strulson 補充表示，"除了 RNA 世界假說外，這些結果也許與現代生物學中非細胞膜間隔內的 RNA 局部化及功能有關。"

團隊成員亦發現，RNA 串的長度愈長，封裝到 ATPS dextran 隔間內的濃度會愈高，而較短的 RNA 串則傾向被晾在一旁（left out）。"我們提出假說，這項研究結果可能暗示某種原始的篩選方法，" Bevilacqua 說。"當 RNA 愈短，其傾向具有較少的酵素活性。所以，在一個類似我們 dextran-PEG 模型系統的早期地球系統中，具完整長度的、有作用的 RNA（functional RNA）可能被篩選並濃縮到某一「相」內，而較短的 RNA，那不僅沒用，而且還作勢要抑制重要的化學反應，可能就不會被納入其中。"

科學家希望以其他聚合物測試其模型細胞方法來繼續其研究。Keating 補充表示，"我們對於觀察聚合物系統的區隔化感到有興趣，那更加接近那些曾出現在早期地球上的東西，而那些也可能出現在當代的生物細胞中，在此，RNA 區隔化對於廣泛的細胞過程來說仍然重要。"

※ 相關報導：

＊ RNA catalysis through compartmentalization
http://dx.doi.org/10.1038/nchem.1466

Christopher A. Strulson, Rosalynn C. Molden,
Christine D. Keating, Philip C. Bevilacqua
Nature Chemistry (2012)
doi: 10.1038/nchem.1466

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