一个令人心醉的谜题——DNA和RNA是如何演化出美妙的螺旋结构?

一个令人心醉的谜题——DNA和RNA是如何演化出美妙的螺旋结构?

     在现代科学中,一直存在一个匪夷所思到令无数科学家心醉的谜题——DNA和RNA究竟是如何演化出这种美妙的螺旋结构的


     最近,佐治亚理工学院的一组研究人员在超分子聚合物的形成过程中,发现了一种全然自发的对称性破缺——这对生物纯手性的起源有着重大的启示作用。他们认为,可能早在数十亿年前,当构成RNA的那些化学物质偶然地旋转成螺旋状时,就出现了RNA的这种螺旋结构。


     在实验中,研究人员惊奇地发现:这种自发旋转成螺旋状的现象所出现的环境,正是我们通常认为地球在进化出第一批生命之前的常见环境——室温下没有催化剂的水中。而且这种整齐的螺旋结构还与另一种构成RNA和DNA骨架的化合物巧妙地结合在一起,最终形成了与RNA非常相似的结构。


一个令人心醉的谜题——DNA和RNA是如何演化出美妙的螺旋结构?

 Nicholas Hud研究了早期地球上生命化学物质的可能起源。| 图片来源:Georgia Tech / Fitrah Hamid 



关键扭转


     在追寻RNA(以及由RNA演化而来的DNA)的演化路径问题上,这项研究从实验角度带着我们向前迈进了一步。事实上,这是一个“先有鸡还是先有蛋”的问题:是那些构成了RNA的分子倾向于形成螺旋结构?还是螺旋结构出现在先,然后更适合这种螺旋结构的分子形成了后来的RNA?


     这项研究的主要研究者是化学与生物化学学院的Nicholas Hud教授,他认为螺旋结构可能起到了某种加强作用,促使了具有相同手性的分子连接在一起,形成了一个呈螺旋扭转的骨架。


一个令人心醉的谜题——DNA和RNA是如何演化出美妙的螺旋结构?

 具有手性的分子是不能与其镜像重叠的,这个分子(左)就不能与它的镜像重叠(右),因此具有手性。| 图片来源:[2]


     他们从实验中得到的聚合物并非RNA,但有可能是RNA的早期演化过程中的一个重要中间步骤。被他们用作为构建单元的是一种被称为“原核碱基”的物质,这种物质被认为极有可能是碱基(如今在RNA中传递遗传密码的主要成分)的前体。


碱基悖论


     这项研究必须解决的还有化学演化中的一个悖论:


     在实验室中,如果在没有活细胞酶的帮助下,想要用真正的碱基来制造RNA或DNA将是一项艰难无比的任务。因此,尽管如今RNA和DNA在地球上无处不在——但它们能在生命出现以前的地球上得以演化是一种非常异常的现象,是诸多极端条件的异常作用的结果。


     然而,新的化学演化模型却表明,碱基前体可以很容易就自组装成RNA的原型——它们与聚合物类似,被称为组装体——演化成了后来的RNA。研究人员称这些RNA原型为‘原核碱基’。从新的化学演化模型来看,这些能自组装成长链的原核碱基,有可能是在现代碱基出现之前的非常早期阶段的一部分。


一个令人心醉的谜题——DNA和RNA是如何演化出美妙的螺旋结构?

 一个是原核碱基,另一个是碱基,很难分辨它们之间的差别。| 图片来源:Georgia Tech / Fitrah Hamid 


     研究人员将有望成为原核碱基的主要物质锁定在三氨基嘧啶(TAP)三聚氰酸(CA)上,他们认为TAP和CA极有可能是原RNA的组成成分。


     他们还惊喜地发现,将原核碱基的两种分子组装在一起的化学键并非共价键,而是类似于两个磁铁之间的吸引力,这种结合力出奇地强。这与RNA不同,因为在RNA中,连接碱基的主要化学键是由酶在细胞中创造的共价键。


螺旋偏好


     螺旋有两种盘旋方式,向左或向右。在化学中,分子也是有手性的,有所谓的左手性(L)右手性(D)分子之分。有意思的是,组成了现代RNA和DNA的构成单元都是D型的,因此会形成右手螺旋。至于它们为什么会演化成这样,则仍是个未解之谜。


     在实验中,研究人员分多个批次使用了无手性之分的TAP和CA分子,产生了大致相等数量的左手和右手螺旋,这个结果相当自然,但是,有一个奇特的现象:同一个批次的整个区域会偏向一个方向,并会与其他大部分螺旋方向相反的区域分隔开来。 


     也就是说,分子会非常强烈地倾向于向某一个方向盘旋,使得批次中的大部分区域主要由朝单一反向扭曲的组装体构成。这个现象非常令研究人员惊讶,因为单独的TAP和CA分子是没有手性的,它们既不是L也非D,但它们组装而成的螺旋结构却倾向于向同一方向旋转!


一个令人心醉的谜题——DNA和RNA是如何演化出美妙的螺旋结构?

 RNA螺旋模型。| 图片来源:Georgia Tech / Fitrah Hamid 


“世界纪录”


     于是,研究人员又进行了两项实验,他们想测试这些类RNA的物质形成向某一方向螺旋的倾向有多强。


     首先,他们向实验中引入了少量与TAP和CA相似的化合物,这种化合物具有L或D手性。最终,整个批次的手性都受到了影响——所有的手性都与添加物的手性一致,使得组装体向一个统一的方向扭转,这与现在的RNA和DNA中的螺旋是一模一样的。


     这项研究的第一作者Suneesh Karunakaran说:“这是一个新的世界纪录,我们用最少量的手性添加物,翻转所有物质的手性。这表明在自然中获得大量的方向统一的螺旋结构是件多么容易的事。”


     接下来,他们将化合物核糖-5-磷酸与TAP结合在一起,以便更好地模拟现代RNA的构成单元。两种分子形成的核糖就位后,组装体会按照核糖的手性所指示的方向,旋转排列成螺旋结构。Karunakaran说:“这种分子很容易形成类似RNA的组装体。尽管这些碎片并非由共价键连接而成,却仍能具有惊人的稳定性。”


演化革命


     这项在如此简单的条件下完成的实验,表明了在生命出现之前,生物分子的螺旋结构就已经存在了,这在实验证据上向前迈进了一大步。


     这项研究还扩充了不断增多的证据,以支持另一个与生命的化学起源有关的故事:罕见的大灾难和意料之外的奇怪成分并不是产生生命的早期构建模块所必需的——大多数生物分子可能是逐渐形成的,它们出现在平静的、被雨水冲刷过的泥滩或被海浪拍打过的湖岸岩石上。具有适当条件的前体分子使这些步骤变得更加容易,并为进一步的演化步骤提供了丰富的材料。


参考来源:

[1] https://www.news.gatech.edu/2019/01/23/helix-dna-fame-may-have-arisen-startling-ease

[2] http://www.ochempal.org/index.php/alphabetical/c-d/chiral-molecule/

一个令人心醉的谜题——DNA和RNA是如何演化出美妙的螺旋结构?

原文始发于微信公众号(量子科学):一个令人心醉的谜题——DNA和RNA是如何演化出美妙的螺旋结构?