现在,来自麻省总医院的科学家在《科学》杂志上报告称,他们解决了人造原细胞的一个关键性问题,即 RNA 复制的化学要求与膜稳定性之间的矛盾。

这项论文的主要作者、09 年诺奖得主 Jack Szostak 表示:我们首次在脂肪酸囊泡中,实现了不涉及酶的 RNA 复制。在细胞起源研究领域长期存在着一个问题:RNA 复制需要镁离子的存在,而高水平的镁离子会破坏简单的脂肪酸膜(最初的细胞很可能由这种膜形成)。现在我们终于找到了解决这个矛盾的办法。”
多年来,Szostak 的研究团队致力于细胞起源的研究,试图理解化合物所组成的原始汤(primordial soup),如何发展成为能复制遗传物质并繁殖的有机体。研究者们利用远古地球环境中可能存在的元素,来构建原细胞模型。他们发现脂肪酸能够在水中自动形成小囊泡,作为容纳遗传学物质(RNA 或 DNA)的膜结构。
现代细胞需要复杂的酶来复制核酸,但早期地球上还没有出现这样的酶。为此,Szostak 和文章第一作者 Katarzyna Adamala 博士希望能够在无酶条件下,在脂肪酸囊泡中促使 RNA 进行自我复制。
RNA 的组装需要镁离子,而镁离子能够降解脂肪酸膜,为了解决这一矛盾,研究人员采用了螯合剂,螯合剂是能够与金属离子紧密结合的小分子。他们测试了多种螯合剂保护脂肪酸囊泡的能力,发现柠檬酸盐非常有效。
随后,研究者们将短 RNA 引物与长 RNA 模板结合起来,放入脂肪酸囊泡,以测试螯合剂是否允许镁离子催化 RNA 复制。该 RNA 模板没有与引物结合的单链部分,存在一个胞嘧啶序列。研究人员向这一系统加入镁离子、螯合剂和活化的鸟嘌呤 G(G可以与C配对)。
研究显示,G 能够扩散进入囊泡的膜,与模板上的C结合,延伸双链 RNA 分子。在几种螯合剂中,柠檬酸盐使这一过程进行得最快。研究人员指出,柠檬酸盐只覆盖了镁离子的一面,可以在保护膜结构的同时,允许 RNA 复制的进行。他们还发现,持续更新活化的鸟嘌呤溶液能够增强 RNA 复制的效率。
不过,尽管柠檬酸盐适用于在实验室条件构建人造细胞,但早期地球上的柠檬酸盐可能无法达到足够的量。研究人员推测,应该存在某种简单的多肽,能与柠檬酸盐起到同样的作用,现在他们正在寻找这样的多肽。
