为了研究地球上第一个生命发育所采取的潜在早期步骤，研究人员一直在研究一种包含无膜隔室的生命前原始细胞模型。现在，宾夕法尼亚州立大学的一组科学家发现，这些区室中的RNA分子在具有自然发生的化学修饰时折叠得更好。这些允许RNA更好折叠的修饰可能为分子如何从任意化合物进化为动态、有组织的生命构建模块提供线索。
这项新研究由宾夕法尼亚州立大学的科学家团队于9月20日发表在《科学进展》杂志上，利用高通量基因测序来确定RNA的结构，这也对基于RNA的疗法的递送方法的设计产生影响依赖正确折叠的RNA来发挥作用。
“RNA与DNA相似，因为它可以在其序列中编码遗传信息，但它也执行许多细胞功能，例如调节基因表达和作为催化细胞反应的酶，”该部门的PhilBevilacqua说。宾夕法尼亚州立大学埃伯利科学学院化学系主任、化学、生物化学和分子生物学杰出教授，也是该研究团队的领导者之一。
“这引发了RNA世界假说，该假说表明地球上最早的生命可能依赖RNA作为遗传信息的载体和反应的催化剂。我们永远无法准确地知道导致生命的第一步，但我们希望我们的研究能够帮助我们缩小早期地球的可能性范围，并了解导致生命起源的过程的局限性。”
覆盖早期地球的所谓“原始汤”可能含有多种化学物质的异质混合物，其中包括那些构成RNA的化合物，RNA成为生命的基石。然而，汤只会是一种令人不满意的稀汤。
贝维拉夸说，生命的组成部分一定非常稀薄，因此一种将它们集中到密闭隔间或原始细胞中的方法对于化合物在最终产生生命的化学反应中相互相互作用可能很重要。这些区室中的条件需要与RNA折叠和功能兼容。
宾夕法尼亚州立大学夏皮罗化学教授、该研究小组的负责人克里斯汀·基廷(ChristineKeating)说：“我们能够通过液-液相分离制造无膜隔室，模仿原始细胞在早期地球上可能形成的一种方式。”
“这些区室在带相反电荷的简单聚合物的混合物中自然形成-在这种情况下，我们使用称为肽的短氨基酸串-我们之前已经证明RNA集中在区室内部。因此，我们想知道这些区室中的隔离是如何进行的不同条件下的区室会影响RNA的三维结构，这对其功能至关重要。”
研究人员使用多种条件制造了这些隔室(称为复杂凝聚层)。他们使用了两种不同长度的肽、改变正电荷和负电荷肽比例的混合物以及不同浓度的镁离子。在所有情况下，隔室都具有相似的物理特性，并且能够隔离RNA分子。
然后，研究小组使用转移RNA(tRNA)分子来检查区室中的RNA折叠。他们选择tRNA是因为它们具有经过充分研究的二级和结构，已知它们在细胞中经过高度化学修饰，并且在所有生命中都是共享的，这表明它们很可能存在于古老的生命共同祖先中。
tRNA分子折叠成三叶草状二级结构，并进一步折叠成复杂的三维结构。在细胞中，它们参与运输用于构建蛋白质的氨基酸。
最近获得生物化学博士学位的McCauleyMeyer说：“我们首先使用单一类型的未修饰tRNA分子，并使用一种称为在线探测的技术确定其结构，该技术是由三个变量的不同组合制成的。”宾夕法尼亚州立大学微生物学和分子生物学博士，是该论文的第一作者。
“当镁离子浓度较高、肽较短且带负电荷的肽比例较高时，tRNA分子折叠得更好。”
Meyer说，在现代细胞中，RNA分子的化学修饰有助于确保它们的正确折叠和稳定性，这对其功能至关重要。为了测试tRNA分子的化学修饰如何影响其在无膜区室中的折叠，研究小组从细菌细胞中提取了自然修饰的tRNA分子，并将其折叠与区室中未修饰的tRNA进行比较。
“我们测试了之前实验中的三个条件，在所有情况下，与未修饰的tRNA相比，修饰的tRNA折叠得更好，错误折叠更少，”Meyer说。“在这里，我们使用了我们实验室开发的高通量基因测序技术，称为tRNA结构测序，它使我们能够同时确定隔室中几种不同tRNA分子的结构。”
虽然研究人员知道自然修饰对于现代细胞的RNA结构和稳定性很重要，但迈耶表示，新研究表明它们可能对于地球生命的早期发展也很重要。
Bevilacqua说：“使用来自具有现代化学修饰的现代细胞的tRNA，我们证明了修饰有助于在原始细胞内具有挑战性的环境中进行RNA折叠的原理。”“未来的研究将确定早期地球如何发生这种变化。”
研究人员还指出，RNA修饰的缺失也与人类疾病有关，化学修饰对于RNA疗法(如疫苗)的功能非常重要。
“我们在这项研究中开发的技术和工具可以帮助我们了解RNA修饰如何影响人类健康，并有助于开发新的RNA药物，”Meyer说。