人們認為RNA透過自我複製引發了生命的起源。丹麥奧胡斯大學和英國劍橋MRC LMB 的研究人員透過低溫電子顯微鏡揭示了RNA複製機制的原子結構。這項突破揭示了原始RNA 世界，推動了RNA 奈米技術和醫學的發展。

圖中顯示的是一種被認為與生命起源有關的RNA 聚合酶核糖酶。圖中的核糖酶被冰凍起來，象徵著它是如何被及時冷凍以進行成像的，以及它是如何在冰冷的條件下發揮最佳作用的。黃/紅光突出顯示了活性位點，透明顯示了模板-產物螺旋的建議位置。圖片來源：Rune Kidmose

錯綜複雜的生命分子機制是如何從簡單的起點產生的，這是一個長期的問題。

一些證據表明，在原始的”RNA 世界”中，”RNA 複製機”（即所謂的複製酶）開始複製自身和其他RNA 分子，從而啟動了進化和生命本身。然而，古老的複製酶似乎已經消失在時間的長河中，它在現代生物學中的作用已被更高效的蛋白質機器所取代。

為了支持”RNA 世界”假說，研究人員一直試圖在實驗室中重新創造出一種等效的RNA 複製酶。

雖然已經發現了這種古代複製酶的分子”二重身”，但由於難以確定動態RNA 分子的結構，它們的詳細分子結構和作用方式仍然難以確定。

嗜冰RNA 複製酶的結構

在發表於《美國國家科學院院刊》（PNAS）的一篇研究論文中，一個研究小組首次利用低溫電子顯微鏡（cryo-EM）報告了RNA 複製酶的原子結構。

正在研究的RNA 複製酶是由Holliger 實驗室（英國劍橋大學M​​RC LMB）開發的，能夠在共晶冰相（類似冰渣）中利用核苷酸三聯體高效複製長模板。現任奧胡斯大學助理教授的Emil L. Kristoffersen 從霍利格實驗室博士後學習歸來後，促成了與安德森實驗室（丹麥奧胡斯大學）的合作，透過低溫電子顯微鏡確定了RNA 複製酶的結構。

有趣的是，該結構與基於蛋白質的聚合酶有著驚人的相似之處，其模板結合、聚合和底物分辨結構域的分子形狀類似於張開的手。

“我們驚訝地發現，我們在試管中人工進化出的核糖酶竟然具有天然存在的蛋白質聚合酶的特徵。”英國劍橋大學M​​RC LMB 項目負責人Philipp Holliger 解釋說：”這表明，無論材料是RNA 還是蛋白質，演化都能發現趨同的分子解決方案。”

RNA 世界中的RNA 合成模型

為了更好地了解RNA 複製酶的工作原理，研究人員進行了全面的突變研究，以突出RNA 結構的關鍵要素。這項分析證實了催化位點的特徵，同時也揭示了兩個所謂的”接吻環”相互作用的重要性，這兩個相互作用將支架亞基和催化亞基結合在一起，同時也揭示了一個特定的RNA結構域對保真度的重要性，即複製酶複製RNA鏈的準確性。

雖然研究人員無法確定複製酶在積極複製RNA 時的”作用中”結構，但他們還是建立了一個與所有實驗數據一致的基於RNA 的RNA 複製模型。

“冷凍電鏡是研究RNA 分子結構和動態特徵的一種強大方法。透過將低溫電子顯微鏡數據與實驗相結合，我們能夠建立這種複雜的RNA 機器內部運作的模型。”Ewan McRae 告訴我們，他在奧胡斯大學安德森實驗室做博士後時曾從事低溫電子顯微鏡工作，現在在美國德州休士頓衛理公會研究所成立了自己的研究團隊。

RNA 奈米技術與醫學的靈感來源

這項研究令人興奮地首次看到了被認為位於生命之樹根部的RNA 複製酶。然而，目前開發的基於RNA 的複製酶效率很低（與基於蛋白質的聚合酶相比），還不能維持自身的複製和進化。這項研究提供的結構洞察可能有助於設計更有效率的複製機制，讓我們更接近在試管中開發RNA 世界的情景。

「透過使用可能存在於RNA 世界中的化學修飾，RNA 複製酶的特性可能會進一步改善。」丹麥奧胡斯大學副教授Ebbe Sloth Andersen 解釋：「此外，對生命起源的研究還發現了幾種新型RNA 建構模組，可用於新興的RNA 奈米技術和醫學領域。”

編譯來源：ScitechDaily