一项微小的化学差异使RNA在高温和酸性条件下比DNA更擅长形成液滴状凝聚体。

在生命起源研究中，一个长期存在的巨大谜团是：在第一个细胞出现之前，RNA分子是如何在原始汤中聚集、相互作用并促成早期生命的形成的，当时还没有细胞区室来将它们包裹在一起？

如果没有这些边界，脆弱的RNA分子将难以在原始汤中频繁相遇，同时还要在被认为是早期地球特征的炎热和酸性条件下生存下来。

一个可能的解决方案是RNA能够聚集成被称为“凝聚体”的液滴状结构。这些结构没有膜，但它们可以将RNA分子浓缩在狭小的空间内，为它们提供更多相互作用的机会，同时可能为它们提供一些抵御恶劣环境的保护。

近期由布法罗大学（University at Buffalo）领导的一项研究正在帮助解释为什么RNA特别擅长形成这些凝聚体。这项发表在《自然通讯》（Nature Communications）上的研究发现，RNA和DNA之间一个非常微小的化学区别，有助于RNA在温度升高时更容易地组装成液滴。同样的差异也使得这些液滴更有可能发展成坚硬的凝胶状网络。

该研究的通讯作者、布法罗大学物理系二十世纪俱乐部教授Priya R. Banerjee博士表示：“这些发现首次揭示了分子化学中极其微小的变化如何控制更大规模、自组织生物分子结构（如RNA凝聚体）的出现。它们可能使我们最终能够解决更深层次的问题，例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。”

这项研究是与普林斯顿大学化学与生物工程助理教授Jerelle Joseph博士合作进行的，并获得了美国国立卫生研究院、国家科学基金会和假设基金会的支持。

该研究是Banerjee教授关于“RNA世界”假说更广泛工作的一部分。“RNA世界”假说认为RNA在地球生命的出现中起着核心作用。由于RNA既能储存遗传信息又能催化化学反应，它可能能够执行最终促成DNA、蛋白质和第一个细胞出现的化学过程。

该假说面临的一个主要挑战是，如何解释相对不稳定的RNA如何在恶劣的益生元环境中持续存在，以及在细胞区室出现之前，足够多的分子如何聚集在一起进行相互作用。

RNA凝聚体可能提供了部分解释。在2023年的一项研究中，Banerjee及其同事表明，RNA在高温下自然倾向于组织成液滴状结构。本研究在此基础上，直接将RNA与含有基本相同序列的单链DNA进行了比较。

他们的实验表明，RNA开始形成液滴的温度比可比较的DNA低约10摄氏度，这表明RNA具有更强的凝聚倾向。RNA还在液滴内更容易形成相互连接的网络，使物质从流体状态转变为更凝胶状的结构，这可能在恶劣环境条件下提供更大的保护。

这种差异似乎部分源于一个极其微小的化学区别。RNA和DNA在每个糖单元上仅相差一个氧原子。RNA含有一个名为2'-羟基（2'-OH）的化学基团，而DNA则缺乏。

研究人员利用温度控制显微镜、小角X射线散射以及Joseph团队进行的分子动力学模拟发现，2'-OH基团似乎能增强RNA与镁离子的相互作用，同时与DNA相比，减少了其骨架周围的水分子数量。综合来看，这些特性使得RNA分子在温度升高时更容易聚集。

为了测试2'-OH是否是关键因素，研究人员将其化学修饰为2'-Ome，这是一种类似于许多天然RNA分子中存在的修饰。这种改变降低了RNA的凝聚倾向，并影响了所得液滴是保持流体状态还是发展成凝胶状物质。

该研究的第一作者、Banerjee实验室的博士后Gable Wadsworth博士表示：“RNA糖上的这个含氧基团，对这些分子是否会聚集、保持动态或凝固成凝胶状物质，具有惊人的强大影响。”Wadsworth博士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。

Banerjee的实验室目前正尝试设计能够执行一些基本细胞功能（包括生化反应）的RNA液滴。研究人员希望将它们编程为活跃的、动态的、细胞大小的区室，最终可能为完全由RNA制成的合成细胞提供基础。

Banerjee教授总结道：“这些自组织的RNA区室可能是通向单细胞生物体的重要一步。”