新研究提出適應(yīng)輻射環(huán)境的原始細(xì)胞模型

2023年12月6 日，浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物物理研究所田兵教授、周如鴻教授和華躍進(jìn)教授聯(lián)合中科院化學(xué)所喬燕研究員在Nature Communications雜志在線發(fā)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(wú)機(jī)礦物質(zhì)組裝形成的具有電離輻射適應(yīng)能力的原始細(xì)胞模型，揭示了由無(wú)機(jī)聚合物和寡肽分子或金屬離子組裝成的凝聚態(tài)液滴類細(xì)胞結(jié)構(gòu)可能存在于原始地球，并通過該細(xì)胞模型中存在的一種非酶類抗氧化機(jī)制，在地球早期的極端環(huán)境中保護(hù)了其中生物活性分子免受輻射損傷，使早期生命的進(jìn)化成為可能。匿名審稿人對(duì)文章高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為該工作在原始（人工）細(xì)胞研究領(lǐng)域向前邁出了重要的一步，同時(shí)具有更廣泛科學(xué)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(guó)新聞社和科學(xué)網(wǎng)報(bào)道。

生命起源假說(shuō)認(rèn)為原始地球中的火山和深海煙囪是生命起源的重要場(chǎng)所之一，經(jīng)歷無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)物，進(jìn)而出現(xiàn)生物大分子和復(fù)雜組裝體系，最終出現(xiàn)原始的生命體，并可能具有類凝聚液滴的結(jié)構(gòu)。原始細(xì)胞被認(rèn)為可能出現(xiàn)在早期極端環(huán)境下的地球，具有遠(yuǎn)高于目前地球環(huán)境的強(qiáng)輻射環(huán)境，而這種輻射環(huán)境可能會(huì)對(duì)活性生物大分子造成輻射損傷，不利于原始生命的出現(xiàn)與演化，然而有關(guān)原始細(xì)胞如何適應(yīng)輻射脅迫環(huán)境及其機(jī)制仍為待解之謎。

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

作者通過生物化學(xué)、計(jì)算生物學(xué)和光譜學(xué)等多種手段研究發(fā)現(xiàn)，polyP-Mn和polyP-RER液滴均能招募蛋白質(zhì)，但對(duì)于核酸，兩種液滴呈現(xiàn)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(shí)其中的DNA和蛋白質(zhì)均受到損傷和破壞；而polyP-Mn液滴不發(fā)生瓦解，其中的蛋白質(zhì)沒有受到明顯的損傷。此外，發(fā)現(xiàn)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(hù)內(nèi)部的蛋白質(zhì)，說(shuō)明polyP-Mn液滴能作為一個(gè)抗輻射的原始細(xì)胞底盤。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，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(jìn)入polyP-Mn凝聚液滴（“類細(xì)胞質(zhì)”）中形成獨(dú)立的“類細(xì)胞核”，組裝形成了一種具有多相結(jié)構(gòu)的原始細(xì)胞。輻射條件下該原始細(xì)胞能有效地維持其形態(tài)并保護(hù)核區(qū)，也保護(hù)了胞內(nèi)的核酸和蛋白質(zhì)免遭輻射產(chǎn)生的活性氧損傷從而維持其生物功能。

作者進(jìn)一步證明該原始細(xì)胞抗輻射機(jī)制是由于其內(nèi)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(hù)了“類細(xì)胞核”和生物大分子。該研究提供了一種原始細(xì)胞模型和適應(yīng)極端環(huán)境的可能機(jī)制，有助于解釋原始細(xì)胞在極端環(huán)境出現(xiàn)及演化的過程，同時(shí)該原始（人工）細(xì)胞也在合成生物學(xué)生物反應(yīng)器或藥物遞送系統(tǒng)等方面具有廣泛價(jià)值。

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