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香港大学医学工程团队提出研究“生命起源”的新方法

  香港10月17日,本报记者从香港大学了解到,香港大学研究人员发现,利用蒸发作用,有助促进与活细胞相关的生化化合物的区隔化,为拆解早期地球在有生物出现以前,生物分子形成的过程,提供一个有效具创新性的技术方案。

  研究团队由港大机械工程系的岑浩璋教授率领,成员包括来自港大李嘉诚医学院生物医学学院Julian Tanner教授的实验室的其他研究合作者。研究结果已在《自然通讯》发表,文章标题为《蒸发液滴中的非缔合相分离作为前生物区隔化的模型》。

  就早期生命的形成,科学家提出“原生汤”(primordial soup)的理论,即在大约37亿至40亿年前太古之初,地球上存在着液态物质,第一个生命细胞便在此诞生。而早期生物分子浓缩并形成各种功能性组件和区隔室,对于地球首批活细胞的形成至关重要。

  在活细胞内部,生物分子浓缩及区隔化的其中一个原理,是透过液—液相分离(Liquid-liquid phase separation)的方法,即聚集着生物分子的单相溶液,在特定条件下,形成两个或多个并存却不相混溶的液相,一个例子是蛋白质和核酸在活细胞内能够凝结成微小的液滴,称作无膜细胞器(membraneless organelles)。

  然而,液—液相分离这方法受到许多因素的影响,包括溶液的pH 值、温度和盐浓度等。要在实验中实现在稀薄而随机的“原生汤”中,模拟一些生命无膜细胞器的形成,非常困难,特别是由于扩散作用,聚合物浓度非常低难以触发液—液相分离。

  研究团队发现,液—液相分离可通过蒸发液滴来触发和维持,即随着水分蒸发,液滴内的聚合物浓度增加,从而导致更强的分子相互作用,把液滴内的分子分隔成不相混溶的液相。

  岑教授的团队在实验中,通过蒸发含有聚乙二醇(PEG)和葡聚醣的全水性液滴,实现生物分子区隔化。由此产生的自发性区隔化提升了化学反应速率,这点可以从RNA的合成、富集以及RNA催化的活性增加三倍得到证明。

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  岑教授说:“我们利用蒸发作用催化生物分子的形成,就研究生命起源这个大问题提供一个可行的方案。在太古之初,当还未有生物出现,复杂的生物过程例如酶这类生物催化剂的活动仍有待进化产生,热力可能就是最原始的催化剂。”

  专门从事制造RNA追踪工具的港大生物医学学院博士后Andrew Brian Kinghorn指出:“我们的研究,把生命所需要的各种化学物通过蒸发或干燥作用进行区隔化和浓缩,使它们有足够的数量产生化学反应,这有助揭示早期生命形态可能经历的事情。”他将这种相分离过程比作日常即饮混合咖啡——原生汤,透过蒸发作用,把牛奶与咖啡—功能性生命组件,自发分离出来。

  团队的另一位成员、博士生郭伟在实验中,把最初均匀、透明的一滴液滴,透过蒸发,分离成互不相溶的两相,他于显微镜下目睹整个过程大感兴奋,说:“们把较大的液滴蒸发分解成较小的液滴,这崭新的技术,将有助未来对活细胞的研究。”他指出,研究结果对于从流体动力学角度理解物理现象奠定了非常坚实的基础。

  岑教授指出,利用这技术,在施加一些控制因素(例如对温度、湿度或蒸发速率的控制),可以对分子反应有更多了解,或应用于医学诊断或制造全水相微小液滴。

  岑教授是知名的微流体研究人员,致力于揭开更多关于液体及其他方面的奥秘。团队之前研发的双水相系统,已经广泛应用于蛋白质的生产和提纯,原理是通过向水里添加一些可溶于水的聚合物,例如聚乙二醇和葡聚糖,促使溶液发生相分离,产生上下分层而且互不相溶的两种水溶液。今次是首次利用蒸发作用来推动这类相分离。岑教授认为今次是人类好奇心促进科学发现的一个好例子。

  “这个实验是研究事物如何从一个非常简单的系统中产生(即将简单的事物合成更复杂事物);就像生命起源一样,关键是如何从简单的系统中衍生复杂的事物。”他的团队乐于听取科学界对他们的“偶然发现”有何反馈意见。

  岑教授与李嘉诚医学院的Tanner教授一直合作开展各种项目,参与的包括博士生、本科生和研究生等跨学科人员,令共同进行的实验和研究工作丰富多彩。

  “好的科学发现、观察的有趣事物和现象往往引发更多问题。这是我从事科学研究的乐趣所在;你意识到你有甚么不明白的地方,而你知道问题所在;你偶尔会得到某些问题的小答案,因此获得小小的胜利,此乃一种鼓励。但即使你得到所有答案后,项目也不会就此完结。有时候,你只会对一些值得与社会各界分享的问题有答案。”岑教授补充说。(《中国基建报》林雨润报道)

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