核糖核酸 (RNA) 是一种生物分子，在生物遗传学中具有至关重要的功能，在生命的起源和进化中起着关键作用。RNA 的组成与 DNA 非常相似，能够根据其空间构象(即分子折叠的方式)发挥多种生物功能。现在，发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇论文首次描述了 RNA 在低温下的折叠过程如何为原始生物化学和地球上生命的进化开辟新的视角。

该项研究由巴塞罗那大学物理学院和纳米科学与纳米技术研究所 (IN2UB) 的 Fèlix Ritort 教授领导，研究团队成员还包括巴塞罗那大学专家 Paolo Rissone、Aur&ute;lien Severino 和 Isabel Pastor。

低温下 RNA 的新生物化学

RNA 是由核糖(一种单糖)分子与磷酸基团连接而成，磷酸基团可与四种含氮碱基结合：腺嘌呤 (A)、鸟嘌呤 (G)、胞嘧啶 (C) 和尿嘧啶 (U)。RNA 的碱基序列和三维结构是决定该分子功能多样性的决定因素。

该团队利用 RNA 的机械展开来准确了解 RNA 自身折叠时所呈现的多种形式。

布法罗大学凝聚态物理系小型生物系统实验室主任 Fèlix Ritort 表示：“从 DNA 到 RNA 和蛋白质，生物分子的折叠结构决定了它们的生物活性。没有结构就没有功能，没有功能就没有生命。”

研究表明，在20°C以下，形成发夹结构的RNA序列开始采用新的紧凑结构。

“所研究的所有 RNA 分子在低温下都具有意想不到的新结构，”Ritort 指出。“我们确定了 +20°C 至 -50°C 之间的温度范围。低于 +20°C 时，核糖-水相互作用开始变得重要，RNA 稳定性在 +5°C 时达到最大值，此时水的密度最大。低于 5ºC 时，新的 RNA 稳定性由核糖-水相互作用决定，直到 -50ºC 时，RNA 再次展开，导致冷变性现象。”

冷 RNA 错误折叠和相变。来源：美国国家科学院院刊(2024)。DOI：10.1073/pnas.2408313121

该论文假设，尽管该温度范围受序列和其他环境条件(如培养基的盐和酸度)的调节，但它是所有 RNA 分子普遍具有的和共同的。

这些 RNA 序列是通过形成互补碱基对来稳定的简单结构，其中腺嘌呤与尿嘧啶 (AU) 结合，鸟嘌呤与胞嘧啶 (GC) 结合。研究人员认为，这些新结构“是由于核糖和水之间形成的氢键而产生的，这种氢键的重量与 RNA 中互补碱基 (AU 和 GC) 之间的相互作用一样大甚至更大。”

“事实上，”Ritort 补充道，“这种现象仅在 RNA 中观察到，而在 DNA 中则未观察到，因为脱氧核糖 2' 位置上的质子不会与水形成氢键。”

为了得出结论，该团队采用了光镊力谱技术，这是一种测量分子热力学的精细技术。该技术可以测量不同 RNA 折叠过程中的熵变化和热容量。

因此，它检测到折叠状态的热容量在 20°C 左右下降，表明折叠 RNA 的自由度数量减少(可能是由于核糖-水键引起的效应)。

超越传统的 RNA 观点

但这种现象对 RNA 的生物化学和生物功能有何影响?首先要注意的一点是，核糖-水相互作用的主导地位代表着迄今为止已知的规则的改变，这些规则决定了 RNA 生物化学如何通过 AU 和 GC 配对以及碱基间堆积力来稳定。

布法罗大学教授补充道：“我们在文章中定义的这种新的改变的生物化学对于栖息在地球寒冷地区的生物(嗜冷生物)具有重要意义，这些生物生活在从高山地区到海洋深水区和北极地区，生存在盐水共晶相温度低于 10ºC 的环境中。”

除了特定的 AU 和 GC 配对规则之外，“由核糖-水相互作用决定的新的 RNA 生物化学表明，存在一种基于核糖和其他糖的原始、粗糙的生物化学，这种生物化学早于 RNA 本身的生物化学，我们称之为甜 RNA 世界。这种原始的生物化学可能开始在广阔的外太空的寒冷环境中进化，最有可能是在靠近恒星的天体上，并受到冷热循环的影响，”Ritort 总结道。