雖然早在35~40億年前地球上就出現(xiàn)了生命,但迄今為止人們?nèi)匀粺o法理解生命在原始條件下如何起源?;谠技?xì)胞模型的研究為剖析生命起源的機(jī)理提供了可能。生命是動(dòng)態(tài)的,所有的生命過程都需要能量參與;沒有能量流的存在,細(xì)胞會(huì)死掉。因此,原始細(xì)胞模型應(yīng)該處于非平衡態(tài),與環(huán)境之間存在能量和物質(zhì)的交換。但目前廣泛研究的以空心囊泡為基礎(chǔ)的模型都是建立在平衡態(tài)基礎(chǔ)上的,與環(huán)境之間沒有明顯的能量流動(dòng)。
考慮到直流電場在活細(xì)胞內(nèi)外普遍存在,在組織的形態(tài)生成(Morphogenesis)和再生(Regeneration)過程中起著重要的調(diào)控作用,而且閃電或放電也被認(rèn)為是在原始條件下合成分子的有效途徑,梁德海課題組以DNA和聚賴氨酸(PLL)形成的復(fù)合物微滴為原始細(xì)胞模型,研究了該模型在電場下的動(dòng)態(tài)行為。結(jié)果表明,雙鏈DNA與PLL形成的復(fù)合物液滴在電場存在下發(fā)生了選擇性的定點(diǎn)吸附、融合以及釋放小粒子的行為(圖1);所釋放出的小粒子的遷移率比自由DNA還要快2倍。31這些現(xiàn)象在平衡態(tài)下是觀察不到的。一種合理的解釋是電場誘導(dǎo)的復(fù)合物的極化和歧化(disproportionation)(Chem. Commun., 2015, 51,1506,鏈接http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2015/cc/c4cc07537d)。
圖1: dsDNA與PLL形成的復(fù)合物微滴在電場下發(fā)生了(A)選擇性吸附和融合,以及(B)釋放小粒子的行為,(C)為機(jī)理圖。(Chem. Commun., 2015, 51,1506) |
當(dāng)把雙鏈DNA換成單鏈寡聚核苷酸(ss-oligo)時(shí),所形成的復(fù)合物液滴在電場下發(fā)生了周期性的內(nèi)分區(qū)化(sub-compartmentalization),尺寸和形狀的動(dòng)態(tài)調(diào)整,自發(fā)地釋放和保留物質(zhì),有選擇性地、定向從環(huán)境中攝取物質(zhì)等與生命活動(dòng)非常類似的行為。而且電場還能夠脈沖式地增強(qiáng)在微滴中進(jìn)行的酶反應(yīng)。這部分工作近期在Nature Communications發(fā)表(Nat. Commun., 2016, doi: 10.1038/ncomms10658, 鏈接http://www.nature.com/ncomms/2016/160215/ncomms10658/pdf/ncomms10658.pdf)。非平衡態(tài)原始細(xì)胞模型的研究有助于剖析生命起源的可能機(jī)理,對(duì)于豐富平衡態(tài)理論也有重要意義。
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圖2: ss-oligo與PLL形成的復(fù)合物液滴在電場下的動(dòng)態(tài)行為。(A)內(nèi)部分區(qū)的三維重建結(jié)果,(B)在分區(qū)化過程中釋放富含PLL的小尺寸粒子,(C)復(fù)合物在電場存在下有選擇地從外部環(huán)境中定向攝取小分子,C1至C4所示分別為1,15, 30和45秒時(shí)刻的截圖,標(biāo)尺為10 μm;(D)在特定時(shí)間施加1分鐘電場對(duì)酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)產(chǎn)生的脈沖式增強(qiáng)效果。(Nat. Commun., 2016, doi: 10.1038/ncomms10658)。 |
該工作與北京大學(xué)分析化學(xué)的趙美萍教授、英國University of Bristol原始生命研究中心的Stephen Mann教授合作,得到了國家自然科學(xué)基金委和科技部973項(xiàng)目的資助。
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