梁德海課題組在原始細胞模型研究中取得進展
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。基于原始細胞模型的研究為剖析生命起源的機理提供了可能。生命是動態(tài)的，所有的生命過程都需要能量參與；沒有能量流的存在，細胞會死掉。因此，原始細胞模型應該處于非平衡態(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。
考慮到直流電場在活細胞內(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）形成的復合物微滴為原始細胞模型，研究了該模型在電場下的動態(tài)行為。結(jié)果表明，雙鏈DNA與PLL形成的復合物液滴在電場存在下發(fā)生了選擇性的定點吸附、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的復合物的極化和歧化（disproportionation）（Chem. Commun., 2015, 51,1506，鏈接http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2015/cc/c4cc07537d）。
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圖1： dsDNA與PLL形成的復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）為機理圖。（Chem. Commun., 2015, 51,1506） |
當把雙鏈DNA換成單鏈寡聚核苷酸（ss-oligo）時，所形成的復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)等與生命活動非常類似的行為。而且電場還能夠脈沖式地增強在微滴中進行的酶反應。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)原始細胞模型的研究有助于剖析生命起源的可能機理，對于豐富平衡態(tài)理論也有重要意義。
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圖2： ss-oligo與PLL形成的復合物液滴在電場下的動態(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秒時刻的截圖，標尺為10 μm；（D）在特定時間施加1分鐘電場對酶級聯(lián)反應產(chǎn)生的脈沖式增強效果。（Nat. Commun., 2016, doi: 10.1038/ncomms10658）。 |
該工作與北京大學分析化學的趙美萍教授、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基金委和科技部973項目的資助。
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