由核苷酸单体自组装形成的G-四联体作为水相中稳定的预聚物支架

关于生命如何起始的新线索

在早期地球上，如何从无生命的化学体系发展出由长链遗传分子（如RNA和DNA）构成的首批生命系统？本研究探讨了一个简单但有力的想法：RNA的某一种构件可以在水中自动排列并自我富集，形成有序的结构，充当一种分子支架，帮助最初的遗传聚合物在没有酶或现代生物过程的情况下形成。

寻找秩序的构件

在生命出现之前，地球的池塘和水洼可能充满了各种小有机分子。要让生命出现，需要少数特殊分子——比如核苷酸（RNA和DNA的构件）被筛选出来、聚集并连接成长链。说起来容易，做起来难。核苷酸在水中通常非常稀薄，并被大量无关分子包围。此外，将它们键合成长链在能量上是有阻碍的，在普通水中不易发生。先前的设想提出反复的干燥和再润湿、或热能与阳光等自然能量可以推动这些化学反应，但这些机制并未解释如何从众多分子中挑选出特定构件。

一种特殊核苷酸的自组织堆叠

作者将注意力集中在一种特殊的核苷酸——基于鸟嘌呤的单元GMP上。鸟嘌呤具有显著的自组织倾向。当许多鸟嘌呤单元聚集时，它们可以形成四个一组的平面方阵，随后这些方阵堆叠成长柱，称为G-四联体。研究者用高分辨率原子力显微镜（AFM）将GMP溶液在一块平滑的云母表面上干燥，然后在水中成像，观察到长而如线的细丝——G-四联体——延伸数十到数百纳米，尽管溶液中GMP的总体浓度极低。这些丝在含钾离子的盐溶液中能稳定存在数小时，其重复的高度模式与鸟嘌呤层堆叠的预期相符。换言之，在没有任何酶或外加催化剂的情况下，相同的核苷酸单元自行发现并组织成高度规则、富集的结构。

在不同盐条件下测试稳定性

为探究这些自组装细丝的稳健性，团队改变了周围水中的盐离子。已知钾离子有利于G-四联体结构，而镍离子相互作用更强，可能破坏这些结构。当成像溶液从钾切换到镍时，许多长丝断裂成较短的片段或从表面消失。这一行为表明这些细丝主要由非永久性相互作用（氢键和堆积作用）维系，而非强共价键。断裂模式也进一步证实这些结构确实由组装的GMP单元构成，而非预先存在的污染物。少数片段存留更久，提示某些构型尤其稳定，可能在自然环境中被时间选择性地保留下来。

从有序支架到类RNA链

然而，通往生命的关键一步不仅是自组装，而是形成真正的聚合物——构件通过共价键连接成链。为了模拟早期温泉池的条件，研究者对涂有GMP的表面施加了反复循环：加热到80°C并干燥，然后再润湿。三次这样的循环后，AFM图像显示不仅有G-四联体细丝，还出现了许多更细、更柔软的缠绕链分布在表面上。这些新链常常像尾巴一样附着在较粗的细丝上，提示它们是从粗丝上生长或由其衍生而来。它们的高度、长度和卷曲外观与已知的单链RNA非常相似。与松散结合的聚集体不同，这些细链即使在本应使简单GMP组装体解体的溶液中也依然牢固黏附在带负电的表面上，暗示其构件已通过共价键连接。当盐环境再次切换到含镍条件时，这些细链并未消失，而是折叠成更紧凑的珠状形态，正如已知在某些金属离子存在下单链RNA的行为一样。

这对生命起源意味着什么

这些实验表明，从分散的核苷酸构件到富集、有结构的组装体，再到类RNA链存在一条简洁的物理驱动路径。基于鸟嘌呤的单元自发形成长的G-四联体细丝，在水相的矿物表面上充当稳定的预聚物支架，即使在极低浓度下亦然。在可在早期温泉池出现的加热-干燥循环下，这些支架可部分转变为柔性的类RNA聚合物，这些产物在溶液中保持稳定并表现出与真单链RNA相似的行为。尽管这些产物中确切的化学键合类型尚未完全确定，该工作支持了自组织鸟嘌呤组装体可能同时提供筛选步骤和暂存场所的观点，从而帮助弥合混乱的前生物汤与形成生命所需秩序分子之间的鸿沟。

引用: Eiby, S.H.J., Catley, T.E., Gamill, M.C. et al. G-quadruplexes self-assembled from nucleotide monomers as stable prepolymer scaffolds in aqueous environments. Sci Rep 16, 7644 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38899-5

关键词: 生命起源, RNA世界, G-四联体, 前生物化学, 核苷酸