一个氧原子的魔力：RNA为何比DNA更易形成凝聚液滴，或揭开生命起源之谜

生命起源研究长期面临一个经典的“鸡与蛋”难题：在细胞尚未出现、没有任何膜结构将分子包裹起来的早期地球上，脆弱的RNA分子如何能既避免被恶劣环境降解，又足够频繁地相遇并发生相互作用？一项由美国布法罗大学领衔的新研究，为这个谜题提供了一个令人意想不到的线索——答案可能藏在一个氧原子上。

该研究发表于《Nature Communications》，首次系统比较了RNA与序列基本相同的单链DNA在升温过程中的相分离行为。结果显示，RNA形成液滴的温度比对应DNA低约10°C，表明RNA具有显著更强的凝聚倾向。更关键的是，RNA液滴内部更容易形成相互连接的网络，并随之从流体状态转变为更坚硬的凝胶样结构。这种转变可能为早期地球上的RNA提供了某种保护。

一个氧原子如何改变一切

RNA与DNA在化学结构上仅有一个微小差异：每个RNA糖环上都带有一个2'-羟基（2'-OH），而DNA没有。为了解这个基团如何改变RNA行为，研究团队综合运用了温控显微镜、小角X射线散射以及由普林斯顿大学Jerelle Joseph课题组完成的分子动力学模拟。

结果表明，2'-OH使RNA能够更强地与镁离子相互作用，同时RNA骨架周围束缚的水分子比DNA更少。这两点共同作用，使得RNA分子在温度升高时更容易相互靠近并组装成凝聚体。研究团队进一步通过化学修饰将2'-OH改为2'-Ome（类似许多天然RNA中的修饰），发现这会降低RNA形成凝聚体的倾向，并改变所得结构是保持流体还是转变为凝胶态。

“这些发现首次揭示，分子化学上极其微小的变化，如何控制像RNA凝聚体这样更大、自组织生物分子结构的涌现，”通讯作者、布法罗大学物理系教授Priya R. Banerjee博士表示，“它们最终可能让我们回答更深层的问题，比如这些凝聚体是否帮助弥合了简单分子与最早生命形式之间的鸿沟。”

为RNA世界理论提供实验支撑

这项工作属于Banerjee对RNA世界理论的持续探索。该理论认为，RNA在生命起源中扮演核心角色，因为它既能储存遗传信息，又能催化化学反应。然而，RNA世界理论长期面临两大质疑：RNA相对不稳定，难以在严酷的前生命条件下存活；且在细胞膜出现之前，足够多的RNA分子如何聚集到同一地点发生相互作用？

RNA凝聚体可能提供了部分答案。2023年，Banerjee团队已发现RNA在高温下具有自发组织成液滴的天然倾向。新研究在此基础上，直接对比了RNA与序列基本相同的单链DNA。实验中，RNA在比DNA低约10°C时就开始形成液滴，且RNA分子更易在液滴内形成连接网络，使液滴从流体向凝胶样转变。这种凝胶化可能有助于RNA在困难环境中保持稳定。

“RNA糖环上这一个含氧基团，对分子是否聚集、保持动态还是被锁定为凝胶样材料，具有令人惊讶的强大影响，”第一作者、Banerjee实验室博士后Gable Wadsworth博士说。他将于今年秋季加入德克萨斯大学埃尔帕索分校担任助理教授。

迈向全RNA合成细胞

目前，Banerjee实验室正试图将发现推向应用：工程化设计能够执行细胞基本活动（包括生化反应）的RNA液滴。研究人员希望将这些液滴编程为活跃、动态、细胞大小的区室。若成功，这项工作可能为构建完全由RNA组成的合成细胞奠定基础，并帮助理解在现代细胞出现之前，简单分子如何开始组织成日益复杂的系统。

“这类自组织的RNA区室，可能是通往单细胞生物道路上的一步，”Banerjee说。