生命来自于一滴雨？新研究表明，雨水帮助形成了第一个原始细胞壁

芝加哥大学普利兹克分子工程学院博士后研究员Aman Agrawal和他的合作者——包括芝加哥大学普利兹克分子工程学院荣誉院长Matthew Tirrell和诺贝尔奖得主生物学家Jack Szostak——在一篇发表在《Science Advances》杂志上的新论文中，展示了38亿年前雨水是如何帮助在原始细胞周围形成一个网格状的壁的，这是从微小的RNA珠到每一个细菌、植物、动物和曾经生活过的人类的关键一步。

　　

关于生命起源的一个主要未解问题是，漂浮在原始汤周围的RNA液滴是如何变成被膜保护的生命包的，我们称之为细胞的。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院(UChicago PME)的工程师、休斯顿大学化学工程系的工程师和芝加哥大学化学系的生物学家在一篇新论文中提出了一个解决方案。

在今天发表在《Science Advances》上的这篇论文中，芝加哥大学PME博士后研究员Aman Agrawal和他的合著者——包括芝加哥大学PME荣誉院长Matthew Tirrell和诺贝尔奖得主生物学家Jack Szostak——展示了38亿年前雨水是如何帮助在原始细胞周围形成一个网格状的壁的，这是从微小的RNA珠到每一个细菌、植物、动物和曾经生活过的人类的关键一步。

“这是一个独特而新颖的观察，”Tirrell说。

这项研究着眼于“凝聚液滴”——自然产生的复杂分子，如蛋白质、脂质和RNA。这些液滴的行为就像水中的食用油一样，长期以来一直被认为是第一批原始细胞的候选者。但是有一个问题。并不是这些液滴不能在彼此之间交换分子，这是进化的关键一步，问题是它们交换得太好，太快了。

任何含有新的、潜在有用的生命前突变RNA的液滴都会在几分钟内与其他RNA液滴交换这种RNA，这意味着它们很快就会变得一样。没有分化，没有竞争，也就是说没有进化。

这就意味着没有生命。

Agrawal说:“如果分子在液滴之间或细胞之间不断交换，那么所有的细胞在很短的时间内都会看起来很相似，并且不会有进化，因为你最终会得到相同的克隆。”

设计解决方案

生命本质上是跨学科的，所以芝加哥大学芝加哥生命起源中心主任Szostak说，与芝加哥大学分子工程跨学科学院、芝加哥大学PME和休斯顿大学化学工程系合作是很自然的。

“工程师们长期以来一直在研究这些类型的复合物的物理化学，以及更广泛的聚合物化学。工程学院有专业知识是有道理的，”Szostak说。“当我们研究生命的起源时，它是如此复杂，有如此多的部分，我们需要有任何相关经验的人参与进来。”

21世纪初，Szostak开始将RNA作为第一种被开发的生物材料。它解决了一个长期以来阻碍研究人员将DNA或蛋白质视为最早的生命分子的问题。

“这就像一个先有鸡还是先有蛋的问题。谁先来的?”Agrawal说。“DNA是编码信息的分子，但它没有任何功能。蛋白质是执行功能的分子，但它们不编码任何遗传信息。”

像Szostak这样的研究人员推测，RNA首先出现，用Agrawal的话来说，“照顾一切”，蛋白质和DNA从它慢慢进化而来。

Agrawal说:“RNA是一种分子，像DNA一样，可以编码信息，但它也像蛋白质一样折叠，因此它也可以执行催化等功能。”

RNA可能是第一个生物材料的候选者。凝集液滴可能是第一个原始细胞的候选者。含有早期形式RNA的凝聚液滴似乎是自然的下一步。

直到Szostak给这一理论泼了一盆冷水，他在2014年发表了一篇论文，表明凝聚液滴中的RNA交换得太快了。

“你可以使各种不同类型的液滴凝聚，但它们不能保持各自的身份。它们交换RNA的速度过快。这是一个长期存在的问题。我们在这篇新论文中展示的是，你可以通过将这些凝聚液滴转移到蒸馏水中(例如，雨水或任何类型的淡水)来克服至少部分问题，并且它们在液滴周围有一层坚硬的皮肤，限制它们交换RNA内容。”

“思想的自燃”

Agrawal在休斯顿大学攻读博士学位期间，开始将凝聚液滴转移到蒸馏水中，研究它们在电场下的行为。在这一点上，这项研究与生命的起源无关，只是从工程的角度研究这些迷人的材料。

“工程师，特别是化学和材料，对如何操纵材料特性，如界面张力、带电聚合物的作用、盐、pH控制等有很好的了解，”休斯顿大学教授Alamgir Karim说，他是Agrawal的前论文导师，也是这篇新论文的高级合著者。“这些都是世界上众所周知的‘复杂液体’的关键方面——想想洗发水和液体肥皂。”

Agrawal想在博士期间研究凝聚体的其他基本性质。这不是Karim的研究领域，但Karim早在几十年前就在明尼苏达大学的一位世界顶级专家Tirrell手下工作过，Tirrell后来成为芝加哥大学普利兹克分子工程学院的创始院长。

在与Agrawal和Karim共进午餐时，Tirrell提出了蒸馏水对凝聚液滴影响的研究可能与地球上生命的起源有关。Tirrell问道，38亿年前蒸馏水在哪里存在。

“我不由自主地说‘雨水!“他的眼睛一亮，听到这个建议非常兴奋，”Karim说。“所以，你可以说这是想法或构思的自燃!”

Tirrell把Agrawal的蒸馏水研究带给Szostak，Szostak刚刚加入芝加哥大学，领导当时被称为“生命起源倡议”的项目。他又问了问Karim的那个问题。

“我对他说，‘你认为在元生物世界里，蒸馏水可能来自哪里?’”Tirrell回忆道。“Jack说的正是我希望他说的，那就是下雨。”

通过研究Szostak的RNA样本，Agrawal发现将凝聚液滴转移到蒸馏水中增加了RNA交换的时间尺度——从几分钟增加到几天。这段时间足够进行突变、竞争和进化。

“如果你有不稳定的原始细胞群体，它们将相互交换遗传物质并成为克隆。没有达尔文进化论的可能性，”Agrawal说。“但如果它们稳定下来，防止交换，这样它们就能很好地储存遗传信息，至少能储存几天，这样它们的基因序列就能发生突变，然后一个种群就能进化。”

最初，Agrawal用去离子水做实验，在实验室条件下进行纯化。他说:“这促使该杂志的审稿人问，如果元生物时期的雨水非常酸，会发生什么。”

商业实验室的水不含任何污染物，不含盐，在碱和酸之间保持完美平衡的中性pH值。简而言之，这是一种材料所能达到的最接近现实世界的条件。他们需要一种更像真正的雨的材料。

什么比雨更像雨?

Agrawal说:“我们只是从休斯顿的雨水中收集水，并测试了我们的水滴在其中的稳定性，只是为了确保我们报告的准确。”

在用实际的雨水和用模拟雨水酸度的实验室水进行的测试中，他们发现了相同的结果。网状的墙形成了，创造了可能导致生命的条件。

21世纪20年代休斯顿上空降雨的化学成分与地球形成7.5亿年后的降雨不同，Agrawal测试的模型原始细胞系统也是如此。这篇新论文证明，这种在原始细胞周围构建网状墙的方法是可能的，并且可以共同工作来划分生命分子，使研究人员比以往任何时候都更接近于找到允许原始细胞进化的正确化学和环境条件。

Agrawal说:“在找到更合适的分子作为替代品之前，我们用来构建这些原始细胞的分子只是模型。虽然化学成分会有所不同，但物理原理将保持不变。”

Did the exposure of coacervate droplets to rain make them the first stable protocells?