在現代科學中，一直存在一個匪夷所思到令無數科學家心醉的謎題——DNA和RNA究竟是如何演化出這種美妙的螺旋結構的？最近，喬治亞理工學院的一組研究人員在超分子聚合物的形成過程中，發現了一種全然自發的對稱性破缺——這對生物純手性的起源有著重大的啟示作用。他們認為，可能早在數十億年前，當構成RNA的那些化學物質偶然地旋轉成螺旋狀時，就出現了RNA的這種螺旋結構。
在實驗中，研究人員驚奇地發現：這種自發旋轉成螺旋狀的現象所出現的環境，正是我們通常認為地球在進化出第一批生命之前的常見環境——室溫下沒有催化劑的水中。而且這種整齊的螺旋結構還與另一種構成RNA和DNA骨架的化合物巧妙地結合在一起，最終形成了與RNA非常相似的結構。
Nicholas Hud研究了早期地球上生命化學物質的可能起源。圖片：Georgia Tech / Fitrah Hamid 關鍵扭轉
在追尋RNA（以及由RNA演化而來的DNA）的演化路徑問題上，這項研究從實驗角度帶著我們向前邁進了一步。事實上，這是一個「先有雞還是先有蛋」的問題：是那些構成了RNA的分子傾向於形成螺旋結構？還是螺旋結構出現在先，然後更適合這種螺旋結構的分子形成了後來的RNA？這項研究的主要研究者是化學與生物化學學院的Nicholas Hud教授，他認為螺旋結構可能起到了某種加強作用，促使了具有相同手性的分子連接在一起，形成了一個呈螺旋扭轉的骨架。
具有手性的分子是不能與其鏡像重疊的，這個分子（左）就不能與它的鏡像重疊（右），因此具有手性。他們從實驗中得到的聚合物並非RNA，但有可能是RNA的早期演化過程中的一個重要中間步驟。被他們用作為構建單元的是一種被稱為「原核鹼基」的物質，這種物質被認為極有可能是鹼基（如今在RNA中傳遞遺傳密碼的主要成分）的前體。
鹼基悖論
這項研究必須解決的還有化學演化中的一個悖論：
在實驗室中，如果在沒有活細胞酶的幫助下，想要用真正的鹼基來製造RNA或DNA將是一項艱難無比的任務。因此，儘管如今RNA和DNA在地球上無處不在——但它們能在生命出現以前的地球上得以演化是一種非常異常的現象，是諸多極端條件的異常作用的結果。
然而，新的化學演化模型卻表明，鹼基前體可以很容易就自組裝成RNA的原型——它們與聚合物類似，被稱為組裝體——演化成了後來的RNA。研究人員稱這些RNA原型為『原核鹼基』。從新的化學演化模型來看，這些能自組裝成長鏈的原核鹼基，有可能是在現代鹼基出現之前的非常早期階段的一部分。
一個是原核鹼基，另一個是鹼基，很難分辨它們之間的差別。圖片：Georgia Tech / Fitrah Hamid 研究人員將有望成為原核鹼基的主要物質鎖定在三氨基嘧啶（TAP）和三聚氰酸（CA）上，他們認為TAP和CA極有可能是原RNA的組成成分。他們還驚喜地發現，將原核鹼基的兩種分子組裝在一起的化學鍵並非共價鍵，而是類似於兩個磁鐵之間的吸引力，這種結合力出奇地強。這與RNA不同，因為在RNA中，連接鹼基的主要化學鍵是由酶在細胞中創造的共價鍵。
螺旋偏好
螺旋有兩種盤旋方式，向左或向右。在化學中，分子也是有手性的，有所謂的左手性（L）或右手性（D）分子之分。有意思的是，組成了現代RNA和DNA的構成單元都是D型的，因此會形成右手螺旋。至於它們為什麼會演化成這樣，則仍是個未解之謎。在實驗中，研究人員分多個批次使用了無手性之分的TAP和CA分子，產生了大致相等數量的左手和右手螺旋，這個結果相當自然，但是，有一個奇特的現象：同一個批次的整個區域會偏向一個方向，並會與其他大部分螺旋方向相反的區域分隔開來。
也就是說，分子會非常強烈地傾向於向某一個方向盤旋，使得批次中的大部分區域主要由朝單一反向扭曲的組裝體構成。這個現象非常令研究人員驚訝，因為單獨的TAP和CA分子是沒有手性的，它們既不是L也非D，但它們組裝而成的螺旋結構卻傾向於向同一方向旋轉！
RNA螺旋模型。圖片：Georgia Tech / Fitrah Hamid 「世界紀錄」
於是，研究人員又進行了兩項實驗，他們想測試這些類RNA的物質形成向某一方向螺旋的傾向有多強。首先，他們向實驗中引入了少量與TAP和CA相似的化合物，這種化合物具有L或D手性。最終，整個批次的手性都受到了影響——所有的手性都與添加物的手性一致，使得組裝體向一個統一的方向扭轉，這與現在的RNA和DNA中的螺旋是一模一樣的。
這項研究的第一作者Suneesh Karunakaran說：「這是一個新的世界紀錄，我們用最少量的手性添加物，翻轉所有物質的手性。這表明在自然中獲得大量的方向統一的螺旋結構是件多麼容易的事。」接下來，他們將化合物核糖-5-磷酸與TAP結合在一起，以便更好地模擬現代RNA的構成單元。兩種分子形成的核糖就位後，組裝體會按照核糖的手性所指示的方向，旋轉排列成螺旋結構。Karunakaran說：「這種分子很容易形成類似RNA的組裝體。儘管這些碎片並非由共價鍵連接而成，卻仍能具有驚人的穩定性。」
演化革命
這項在如此簡單的條件下完成的實驗，表明了在生命出現之前，生物分子的螺旋結構就已經存在了，這在實驗證據上向前邁進了一大步。
這項研究還擴充了不斷增多的證據，以支持另一個與生命的化學起源有關的故事：罕見的大災難和意料之外的奇怪成分並不是產生生命的早期構建模塊所必需的——大多數生物分子可能是逐漸形成的，它們出現在平靜的、被雨水衝刷過的泥灘或被海浪拍打過的湖岸巖石上。具有適當條件的前體分子使這些步驟變得更加容易，並為進一步的演化步驟提供了豐富的材料。
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