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生命如何从无生命的化学物质中诞生？RNA世界假说认为，在DNA与蛋白质出现之前，RNA同时承担遗传信息载体与催化功能。 然而，已知能够复制其他RNA分子的核酶（ribozyme）通常由近百个甚至更多核苷酸组成，在原始地球条件下偶然形成的概率极低——这使“RNA优先”理论面临“先有鸡还是先有蛋”的悖论。英国MRC分子生物学实验室Philipp Holliger团队在 Science 发表的研究，通过构建包含12万亿条随机RNA序列的文库，并经过多轮定向进化筛选，成功分离出一种仅由45个核苷酸组成的小型核酶——QT45。在模拟早期地球的冰盐混合液环境中，QT45能作为聚合酶，以自身为模板合成互补链，并利用互补链再合成原始链，实现信息传递与扩增。这一发现表明，具备自我复制能力的RNA分子可能远比此前认为的更易在化学空间中出现，从而降低了生命起源的“门槛”，使非生命化学向生命生物的跃迁更趋合理。

RNA世界假说的“复杂度困境”

RNA世界假说自1980年代提出以来，成为生命起源研究的主导框架。其核心挑战在于：已知的RNA聚合酶核酶（如来自原核生物I型内含子或经体外进化获得的R3C等）通常由70-100多个核苷酸组成，结构复杂、折叠精确，在原始汤中通过随机连接偶然形成的概率极低。批评者认为，这一复杂度使RNA世界假说陷入了“先有复杂度，才有复制”的循环。

方法：从万亿级RNA库中定向进化

研究者通过化学合成构建了12万亿条随机RNA序列的文库（长度约100-200 nt）。利用体外选择（SELEX） 策略：

• 第一轮：筛选能与模板RNA结合的序列；

• 第二轮：筛选能催化引物延伸（聚合酶活性）的序列；

• 后续轮次：逐步提高反应严苛性（如降低底物浓度、缩短反应时间），使活性最高的序列富集。

经过多轮迭代，最终获得一系列具有聚合酶活性的核酶，其中最活跃、最小的成员被命名为QT45（长度仅45 nt）。

核心发现：冰盐环境中的自我复制

1. QT45的结构与功能
QT45长度为45个核苷酸，远小于此前报道的聚合酶核酶。在适宜条件下（Mg²⁺存在），它能以寡核苷酸为底物，催化磷酸二酯键形成，延伸RNA链。

2. 冰盐混合液模拟早期地球
研究者将反应置于冰盐混合液（部分结晶、部分液态）中进行——该条件被认为可能存在于早期地球的极地冰盖、冻土或低温环境，可富集试剂、稳定中间体。在此条件下，QT45能：

• 以自身序列为模板，合成互补链（第一代复制）；

• 互补链再作为模板，合成原始链（第二代复制）；

• 实现多轮扩增，信息在世代间传递。

3. 自催化与进化潜力
QT45不仅能复制自身，还表现出一定的底物适应性（可通过突变优化活性），提示该小分子核酶具备进一步演化的潜能。

对生命起源理论的启示

1. 降低复杂度门槛：45 nt的核酶在化学空间中出现的概率远高于100 nt的核酶，使RNA世界的“第一推动力”更易实现；

2. 环境匹配性：冰盐环境（早期地球可能存在）不仅稳定了RNA分子，还通过“冻融循环”浓缩试剂，促进聚合反应；

3. RNA序列空间的富集度：本研究表明，具备基本聚合酶活性的RNA序列可能广泛分布在RNA序列空间中，而非极端稀有。

未解问题与未来方向

• 原初原料来源：QT45的45个核苷酸在原始环境中如何自组装？仍需核苷酸合成与浓缩的前体化学研究；

• 非酶促复制：QT45依赖镁离子与已存在的模板/引物，更早期的系统可能需非酶促RNA复制；

• 跨向原始细胞：RNA世界如何演化出膜包被的原始细胞（protocell），仍需探索。

参考信息
Reference: “A small polymerase ribozyme that can synthesize itself and its complementary strand” by Edoardo Gianni et al., 2026, Science.
DOI: 10.1126/science.adt2760