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在现代科学中，一直存在一个匪夷所思到令无数科学家心醉的谜题——DNA和RNA究竟是如何演化出这种美妙的螺旋结构的？ 最近，佐治亚理工学院的一组研究人员在超分子聚合物的形成过程中，发现了一种全然自发的对称性破缺——这对生物纯手性的起源有着重大的启示作用。他们认为，可能早在数十亿年前，当构成RNA的那些化学物质偶然地旋转成螺旋状时，就出现了RNA的这种螺旋结构。 在实验中，研究人员惊奇地发现：这种自发旋转成螺旋状的现象所出现的环境，正是我们通常认为地球在进化出第一批生命之前的常见环境——室温下没有催化剂的水中。而且这种整齐的螺旋结构还与另一种构成RNA和DNA骨架的化合物巧妙地结合在一起，最终形成了与RNA非常相似的结构。 ○ Nicholas Hud研究了早期地球上生命化学物质的可能起源。| 图片来源：Georgia Tech / Fitrah Hamid 关键扭转 在追寻RNA（以及由RNA演化而来的DNA）的演化路径问题上，这项研究从实验角度带着我们向前迈进了一步。事实上，这是一个“先有鸡还是先有蛋”的问题：是那些构成了RNA的分子倾向于形成螺旋结构？还是螺旋结构出现在先，然后更适合这种螺旋结构的分子形成了后来的RNA？ 这项研究的主要研究者是化学与生物化学学院的Nicholas Hud教授，他认为螺旋结构可能起到了某种加强作用，促使了具有相同手性的分子连接在一起，形成了一个呈螺旋扭转的骨架。 ○ 具有手性的分子是不能与其镜像重叠的，这个分子（左）就不能与它的镜像重叠（右），因此具有手性。| 图片来源：[2] 他们从实验中得到的聚合物并非RNA，但有可能是RNA的早期演化过程中的一个重要中间步骤。被他们用作为构建单元的是一种被称为“原核碱基”的物质，这种物质被认为极有可能是碱基（如今在RNA中传递遗传密码的主要成分）的前体。 碱基悖论 这项研究必须解决的还有化学演化中的一个悖论： 在实验室中，如果在没有活细胞酶的帮助下，想要用真正的碱基来制造RNA或DNA将是一项艰难无比的任务。因此，尽管如今RNA和DNA在地球上无处不在——但它们能在生命出现以前的地球上得以演化是一种非常异常的现象，是诸多极端条件的异常作用的结果。 然而，新的化学演化模型却表明，碱基前体可以很容易就自组装成RNA的原型——它们与聚合物类似，被称为组装体——演化成了后来的RNA。研究人员称这些RNA原型为‘原核碱基’。从新的化学演化模型来看，这些能自组装成长链的原核碱基，有可能是在现代碱基出现之前的非常早期阶段的一部分。 ○ 一个是原核碱基，另一个是碱基，很难分辨它们之间的差别。| 图片来源：Georgia Tech / Fitrah Hamid 研究人员将有望成为原核碱基的主要物质锁定在三氨基嘧啶（TAP）和三聚氰酸（CA）上，他们认为TAP和CA极有可能是原RNA的组成成分。 他们还惊喜地发现，将原核碱基的两种分子组装在一起的化学键并非共价键，而是类似于两个磁铁之间的吸引力，这种结合力出奇地强。这与RNA不同，因为在RNA中，连接碱基的主要化学键是由酶在细胞中创造的共价键。 螺旋偏好 螺旋有两种盘旋方式，向左或向右。在化学中，分子也是有手性的，有所谓的左手性（L）或右手性（D）分子之分。有意思的是，组成了现代RNA和DNA的构成单元都是D型的，因此会形成右手螺旋。至于它们为什么会演化成这样，则仍是个未解之谜。 在实验中，研究人员分多个批次使用了无手性之分的TAP和CA分子，产生了大致相等数量的左手和右手螺旋，这个结果相当自然，但是，有一个奇特的现象：同一个批次的整个区域会偏向一个方向，并会与其他大部分螺旋方向相反的区域分隔开来。 也就是说，分子会非常强烈地倾向于向某一个方向盘旋，使得批次中的大部分区域主要由朝单一反向扭曲的组装体构成。这个现象非常令研究人员惊讶，因为单独的TAP和CA分子是没有手性的，它们既不是L也非D，但它们组装而成的螺旋结构却倾向于向同一方向旋转！ ○ ○ RNA螺旋模型。| 图片来源：Georgia Tech / Fitrah Hamid |
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