冻融循环可以解释古代RNA如何在没有酶的情况下复制

在冷冻和解冻循环的帮助下，生命起源前的RNA分子可以自我复制。这一发现为解决围绕生命起源的“RNA世界”模型的长期困惑提供了另一条线索:RNA链如何在没有酶的帮助下自我复制。

杰克绍斯塔克的美国哈佛大学的研究小组先前已经证明，短RNA序列可以作为模板，在没有酶的情况下进行进一步的复制。当RNA核苷酸上的磷酸盐在实验室里被高活性杂环化合物化学激活时2-aminoimidazole(2AI)，它使咪唑桥形成活性二核苷酸中间体，使RNA复制。

但目前尚不清楚这一重要的化学激活步骤是如何在生命起源前的环境中合理地发生的。约翰·萨瑟兰的2018年，英国剑桥大学MRC分子生物学实验室的实验室找到了答案。他的团队展示了甲基异氰化物是如何在早期地球上形成的，以及它是如何与乙醛一起产生活性氮离子的。然后，腈离子被证明与核苷酸反应，并使2AI取代离子，从而激活分子。¹

然而，将Sutherland的合理的生物前RNA激活途径与绍斯塔克的模板定向复制途径相结合，遇到了障碍。需要过量的2AI来推动活化反应向前进行。但这种过量也抑制了RNA复制所需咪唑桥接二核苷酸的形成。这两条道路似乎是不相容的。

现在，绍斯塔克的实验室发现，冻融循环可以将这些途径聚集在一起，并使RNA在一个合理的生命起源前环境中无需酶就能复制。²“我们试图弄清楚这两个过程是如何同时发生的，而唯一的方法就是大幅降低激活剂的浓度，”他解释道斯蒂芬妮•张他领导了这项工作。

这激发了研究人员对冻融循环的研究，因为部分冻结条件可以暂时使反应物更接近，从而自然地集中它们。他们发现，这样就不需要过量的活化剂，同时还能激活所有四种核糖核苷酸。合著者丹尼尔·杜兹德维奇(Daniel Duzdevich)说:“这确实简化了一系列复杂的步骤，而且并不特别做作:我们使用的是一锅反应，我们所做的只是将原料冷冻和解冻几次。”

“在允许核苷酸激活、咪唑桥接二核苷酸合成和模板定向rna复制的三个步骤中，顺序识别这些条件是一项重要的成就，”他说欧内斯托·迪·毛罗他是意大利罗马萨皮恩扎大学的生命起源研究员。“冻融循环有利于分离。这是聪明的、自然的、合理的、有效的。”

然而，这种途径是否会导致生命从原始细胞中出现仍然不确定。冻融循环可能会破坏膜结构，导致区室化的丧失，张说。相反，冻融循环可以帮助融合或重新封装来自不同原始细胞的混合RNA，类似于水平基因转移。

“未来的工作应该探索冻融循环与生命出现所需的原始细胞模型所需要的囊泡组成之间的潜在不兼容性和益处，”张说。