PNAS提出新视角：低温下RNA的新生物化学

核糖核酸(RNA)是一种在生物遗传学中具有重要功能的生物分子，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，它能够执行各种生物功能，这取决于它的空间构象，即分子在自身上折叠的方式。现在，发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上的一篇论文首次描述了RNA在低温下折叠的过程如何为研究地球上的原始生物化学和生命进化开辟了一个新的视角。

这项研究由巴塞罗那大学物理系和纳米科学与纳米技术研究所(IN2UB)的Fèlix Ritort教授领导，该研究所的专家Paolo Rissone, Aurélien Severino和 Isabel Pastor也参与了研究。

低温下RNA生物化学的新进展

RNA是由核糖(一种单糖)分子与磷酸基团结合形成的，磷酸基团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)。碱基序列和RNA的三维结构都是决定RNA分子功能多样性的决定性因素。

研究小组利用RNA的机械展开来精确地理解RNA在自身折叠时所采取的各种形式。

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

该研究表明，产生发夹结构的RNA序列在20°C以下开始采用新的紧凑结构。

“所有被研究的RNA分子在低温下都有着意想不到的新结构，我们确定了+20°C到-50°C之间的温度范围。在+20°C以下，核糖-水的相互作用开始变得重要，在+5°C时达到RNA的最大稳定性，此时水的密度最大。在5℃以下，新的RNA稳定性由核糖-水相互作用决定，直到-50℃，RNA再次展开，导致“冷变性”现象。

论文假设这个温度范围对所有RNA分子都是普遍的，尽管它受到序列和其他环境条件(如介质的盐和酸度)的调节。

这些RNA序列是简单的结构，通过形成互补碱基对来稳定，其中腺嘌呤与尿嘧啶(A-U)结合，鸟嘌呤与胞嘧啶(G-C)结合。研究人员认为，这些新结构“是由于核糖和水之间形成了氢键，其重量与RNA中互补碱基(A-U和G-C)之间的相互作用一样大，甚至更大。事实上，这种现象只在RNA中观察到，而在DNA中没有观察到，脱氧核糖2 '位置的质子不会与水形成氢键。”

为了得出结论，研究小组应用了光镊力谱技术，这是一种精细而精确的分子热力学测量技术。这项技术使得测量不同RNA折叠过程中的熵变和热容成为可能。因此，它检测到折叠态的热容在20°C左右下降，表明折叠RNA的自由度减少(可能是由于核糖-水键诱导的影响)。

超越了RNA的传统观点

但是这种现象对RNA的生物化学和生物学功能有什么影响呢?首先要注意的是，核糖-水相互作用的主导地位代表了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A- u和G-C配对以及碱基对碱基堆叠力来稳定。

“我们在文章中定义的这种新的生物化学变化对生活在地球寒冷地区的生物(嗜冷生物)有影响，从高山地区到海洋和北极地区的深水，在低于10摄氏度的盐水共晶阶段。”

除了特定的a - u和G-C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的、粗糙的生物化学，这种生物化学比RNA本身更早，我们称之为甜RNA世界。这种原始的生物化学可能是在广阔的外层空间的寒冷环境中开始进化的，最有可能是在靠近恒星的天体上，并受到冷热循环的影响。”