新研究提出適應輻射環境的原始細胞模型

2023年12月6 日，浙江大學生命科學學院生物物理研究所田兵教授、周如鴻教授和華躍進教授聯合中科院化學所喬燕研究員在Nature Communications雜志在線發表題為“An inorganic mineral-based protocell with prebiotic radiation fitness”的研究論文，該研究提出了一種基于無機礦物質組裝形成的具有電離輻射適應能力的原始細胞模型，揭示了由無機聚合物和寡肽分子或金屬離子組裝成的凝聚態液滴類細胞結構可能存在于原始地球，并通過該細胞模型中存在的一種非酶類抗氧化機制，在地球早期的極端環境中保護了其中生物活性分子免受輻射損傷，使早期生命的進化成為可能。匿名審稿人對文章高度評價，認為該工作在原始（人工）細胞研究領域向前邁出了重要的一步，同時具有更廣泛科學意義上的影響力。論文被推選為Highlights論文，并受邀在Springer出版社、中國新聞社和科學網報道。

生命起源假說認為原始地球中的火山和深海煙囪是生命起源的重要場所之一，經歷無機物轉變為有機物，進而出現生物大分子和復雜組裝體系，最終出現原始的生命體，并可能具有類凝聚液滴的結構。原始細胞被認為可能出現在早期極端環境下的地球，具有遠高于目前地球環境的強輻射環境，而這種輻射環境可能會對活性生物大分子造成輻射損傷，不利于原始生命的出現與演化，然而有關原始細胞如何適應輻射脅迫環境及其機制仍為待解之謎。

本論文提出了一種由無機礦物質以及簡單的生物分子組裝而成的、具有輻射抗性的凝聚態液滴原始細胞模型。以往的文獻報道中，原始火山活動可以將磷酸鹽高溫聚合生成一種極其簡單的無機聚合物-多聚磷酸鹽polyphosphate（PolyP），其可能比核酸和多肽出現得更早。本文研究表明，PolyP能夠和在原始地質環境中如火山和深海地質中含有的二價金屬離子通過液-液相分離作用形成凝聚態液滴，例如polyP-Mn液滴；同時PolyP也能與一些帶正電荷的簡單寡肽形成液滴，如polyP-RER液滴。

作者通過生物化學、計算生物學和光譜學等多種手段研究發現，polyP-Mn和polyP-RER液滴均能招募蛋白質，但對于核酸，兩種液滴呈現不同的特性：polyP-RER能有效招募DNA，而polyP-Mn則不能。在伽馬射線輻照條件下，polyP-RER液滴完全瓦解，同時其中的DNA和蛋白質均受到損傷和破壞；而polyP-Mn液滴不發生瓦解，其中的蛋白質沒有受到明顯的損傷。此外，發現polyP與其他金屬離子形成的液滴如polyP-Fe，polyP-Ca和polyP-Mg不能保護內部的蛋白質，說明polyP-Mn液滴能作為一個抗輻射的原始細胞底盤。進一步發現，雖然核酸分子如DNA等不能被polyP-Mn吸收，但是招募了DNA的polyP-RER液滴能融合進入polyP-Mn凝聚液滴（“類細胞質”）中形成獨立的“類細胞核”，組裝形成了一種具有多相結構的原始細胞。輻射條件下該原始細胞能有效地維持其形態并保護核區，也保護了胞內的核酸和蛋白質免遭輻射產生的活性氧損傷從而維持其生物功能。

作者進一步證明該原始細胞抗輻射機制是由于其內部的Mn²⁺能和游離的磷酸鹽及短肽形成Mn-小分子抗氧化物，高效地清除活性氧自由基，從而保護了“類細胞核”和生物大分子。該研究提供了一種原始細胞模型和適應極端環境的可能機制，有助于解釋原始細胞在極端環境出現及演化的過程，同時該原始（人工）細胞也在合成生物學生物反應器或藥物遞送系統等方面具有廣泛價值。

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