Only Perception: 新研究讓科學家接近 RNA 的起源

2014-02-18

新研究讓科學家接近 RNA 的起源

New Study Brings Scientists Closer to the Origin of RNA
http://phys.org/news/2013-12-scientists-closer-rna.html

By John Toon, Dec 24, 2013

(Phys.org) -- 科學中的一大問題是：生命如何從存在於地球早期的化學湯浮現？理論之一說，RAN（DNA 的近親）是在大約 40 億年前出現的第一種遺傳分子，不過形態較為原始，那之後演化成我們今日在生物中所見到的 RNA 與 DNA 分子。新的研究展示一種此連鎖事件如何開始的方法。

今日，遺傳資訊儲在 DNA 中。RNA 從 DNA 創造出來，使遺傳資訊能起作用。RNA 能引導某些蛋白質的創造以及進行其他必要的、 DNA 無法辦到的生命機能。RNA 的多樣性（versatility）是科學家認為這種聚合物先出現，而 DNA 之後才演化出來，成為一種長期儲存遺傳資訊的更好方法。但如同 DNA，科學家提出理論，表示 RNA 也可能是一種演化的產物。

喬治亞理工學院（GIT）的化學家證明，可能已經在地球初期現身的分子如何能自組裝成一些結構物，那可能代表了 RNA 的起點。RNA 建構基石的自發性形成被視為生命起源的關鍵步驟，不過這也讓科學家爭論了幾十年。

"在我們的研究中，我們證明一種反應，我們認為那對於最早期如 RNA 般的分子的形成很重要，" Nicholas Hud 表示，喬治亞理工的化學與生物化學教授，他亦為化學演化中心的主任。

這項研究於 12 月 14 日在 Journal of the American Chemical Society 的網站上發表。這項研究由 NSF 與 NASA 資助。

RNA 完美的扮演了它在今日生命中所扮演的角色，Hud 表示，不過在化學上，它非常難以製造。這指出，RNA 從更簡單的化學耦合演化而來。當生命在化學上變得更加複雜時，酵素（enzymes）就誕生了，演化壓力驅使將「前-RNA」變成更精鍊的現代 RNA。

RNA 是由三種化學物質所組成：核糖、鹼基與磷。「核糖-鹼基-磷」單元與其他「核糖-鹼基-磷」單元連在一起以形成 RNA 聚合物。理解鹼基與核糖之間第一個鍵結如何形成，在生命起源領域中已成為一個難以處理的問題，Hud 說。

在研究中，Hud 的團隊研究在化學上與現代 RNA 鹼基類似的鹼基，那些鹼基也許能自發性地與核糖鍵結，透過使 DNA 與 RNA 能儲存資訊的相同交互作用與其它鹼基組合。他們以一種稱為三胺基嘧啶（triaminopyrimidine，TAP）的分子為目標。

研究者在一種仿效早期地球乾涸池塘的環境條件中，將 TAP 與核糖混合。TAP 與核糖以高產量的方式反應，有多達 80% 的 TAP 被轉換成「核苷（nucleosides）」，那是 RNA 的「核糖-鹼基」單元的名稱。在這之前，要以目前的 RNA 鹼基在類似反應中形成「核糖-鹼基」鍵結的嘗試，不是失敗就是核苷的產量非常低。

"這項研究除了證明，「一個可行的設置」對於我們如何使類 RNA 分子開始（出現）很重要之外，也證明第一個類 RNA 聚合物的基石如何在一個已經非常複雜的化學混合物中找到彼此，並在其中自組裝，" Hud 表示。

研究者將另一種稱為「三聚氰酸（cyanuric acid）」的分子加入他們的反應混核物中，藉此證明 TAP 核苷的這種特性（三聚氰酸已知不會跟 TAP 反應）。即便在未經純化的反應混合物中，數千對的核苷形成了非共價型（noncovalent）聚合物。

"那很驚人，這些核苷與鹼基事實上是靠它們自己組裝，而今日生物則需要複雜的酵素才能讓 RNA 的建構基石聚首，並在空間上以優先於聚合化（polymerization）的方式來指揮它們，" Brian Cafferty 說，喬治亞理工的畢業生與本研究的共同作者。

這項研究證明了一種可能的方法，那使 RNA 祖先的建構基石能在早期地球上相聚。在最終導致現代 RNA 分子的首批鹼基中，TAP 是一個有趣的候選者，不過那裡當然還有其他的候選者，Hud 說。

未來 Hud 的實驗室與其他在化學演化中心的實驗室的研究，將會調查 RNA 磷骨幹的起源，以及其他造就現代 RNA 的路線。

"我們正尋找一種簡單、強健的化學反應，那能解釋最早 RNA 或其祖先的起源，" Hud 表示。

※ 相關報導：

＊ Spontaneous Prebiotic Formation of a β-Ribofuranoside That Self-Assembles with a Complementary Heterocycle
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja410124v

Michael C. Chen, Brian J. Cafferty, Irena Mamajanov,
Isaac Gállego, Jaheda Khanam, Ramanarayanan Krishnamurthy,
and Nicholas V. Hud.
J. Am. Chem. Soc., Article ASAP
doi: 10.1021/ja410124v

The RNA World hypothesis is central to many current theories regarding the origin and early evolution of life. ....Here we report a one-pot model prebiotic reaction between a pyrimidine nucleobase (2,4,6-triaminopyrimidine, TAP) and ribose, which produces TAP-ribose conjugates in high yield (60–90%). When cyanuric acid (CA), a plausible ancestral nucleobase, is mixed with a crude TAP+ribose reaction mixture, micrometer-length supramolecular, noncovalent assemblies are formed. A major product of the TAP+ribose reaction is a β-ribofuranoside of TAP, which we term TARC. This nucleoside is also shown to efficiently form supramolecular assemblies in water by pairing and stacking with CA. These results provide a proof-of-concept system demonstrating that several challenges associated with the prebiotic emergence of RNA, or pre-RNA polymers, may not be as problematic as widely believed.