天然矿物学对RNA吸附研究的制约因素

然而，作为这种方法的限制，可能在实验室中制造的许多矿物质没有已知的自然相关性，我们可以并行检查。例如，在合成硼酸盐矿物中，钡物质也最紧密地结合。然而，据我们所知，没有报道过天然锶或硼酸钡矿物。我们测试的天然硼酸钙矿物（colemanite）结合了31％的RNA。此外，尽管硼酸镁矿物天然地称为硼酸盐，但我们不能通过混合氯化镁和硼酸钠来获得合成矿物的沉淀物（表1）。

差分吸附不需要在周期表中均匀地进行

虽然周期表趋势很容易观察，但没有理由先验地存在这种趋势的原因。例如，如果该表面上的阴离子和阳离子位点的模式与RNA分子上的阴离子位点（磷酸盐）的距离更紧密地匹配，则可以推测RNA将更好地吸附到表面上。虽然人们可能期望矿物质中的不同阳离子会改变这些位点的间距，但没有理由认为最重的阳离子具有最佳匹配RNA的位点。实际上，如果这是不同表面对RNA具有不同亲和力的机制，人们可能会期望在周期表趋势中有一种矿物质最大程度地吸收系列中间的某个地方，而不是系列的末端。

事实上，我们可能会在这些数据中看到这一点。例如，在沉淀的磷酸盐中，钙物质比磷酸镁（64％），磷酸锶（84％）和磷酸钡（32％）结合更多的RNA（93％）。虽然磷酸钙在自然界中以各种形式（磷灰石）而众所周知，而已知钙被天然矿物质中的锶和钡取代，产生称为“锶磷灰石”和“钡磷灰石”的物种，锶和钡形式在自然界中很少发现，并且不适用于这种研究。

同样的评论适用于钒酸盐和砷酸盐，我们检查了它们因为它们与磷酸盐的结构相似[18,19]。这里，显示最佳结合的合成碱土金属矿物质是钒酸钙和砷酸钙。最好结合RNA的合成过渡元素砷酸盐和钒酸盐都与铜有关。然而，掺入这些特定原子成分的天然矿物质非常罕见。例如，博物馆中最常见的钒酸盐矿物（钒酸盐）具有铅作为阳离子。钒酸盐和磷酸钙具有类似的晶体形式（砷酸铅莫米特和磷酸铅磷酸盐也是如此）。此外，钒盐很好地吸附了RNA（72％）。然而，铅使我们成为参与益生元化学的一个不太可能的元素（但参见参考文献[20-22]）。

增加复杂性

碱土金属碳酸盐和硫酸盐制备方便简单的系统，其中可以容易地应用天然 - 合成组合分析。由于两类原因，其他类别的矿物更难管理。

首先，矿物中的阳离子可以是氧化还原活性的。这里，在沉淀中得到合成矿物，氧的存在可导致具有混合氧化态的阳离子的沉淀物。

其次，在沉淀合成矿物质的实验中，我们不能方便地添加缓冲剂来控制pH值; 它会在系统中添加一个不自然的组件。这意味着具有不同质子化状态的不同阴离子（例如，H 2 PO 4 -，HPO 4 2-和PO 4 3-）事实上是沉淀实验中的缓冲物质。然而，我们收集了各种天然物种的数据，包括一些不方便通过水溶性盐的双重分解反应制成的物种。这些如表2所示。

例如，检查碳酸锰（菱锰矿）和碳酸锌（菱锌矿）。在检查的矿物样本中，两者都吸附了相当数量的RNA到其表面，分别为11％和5％。吸附在每种沉淀矿物上的RNA的比例相当（分别为93％和89％）。然而，很难找到将这些数字在周期表中与用碱土金属碳酸盐获得的数字进行比较的理由。

最后，检查了几种硅酸盐吸附RNA的能力。当然，硅酸盐是由大量矿物质代表的，而这项工作只检测了其中很小一部分。我们最近报道了研究蛋白质上RNA吸附和稳定的工作[23]。

多态性

另一层复杂性来自于同一组原子可以形成不同晶形的事实。例如，碳酸钙可以作为方解石，文石或球霰石沉淀。方解石在三角形空间群中结晶; 文石具有正交结构[24,25]。方解石是更稳定且因此最常见的相，而文石不太稳定且不太常见，尽管它在自然界中确实发生为亚稳相[26]。球霰石，也μ-的CaCO 3，是碳酸钙的第三亚稳相3。它在自然界中的发生率较低，因为它在热力学上最不稳定。它通常并迅速将自身转变为另外两种形式之一[27]。当生物系统介入以沉淀碳酸钙时，主要看到球霰石。在合成形成矿物时，方解石主导CaCO 3，CaCO 3在接近中性的pH和室温和压力下将CaCl 2和Na 2 CO 3在水中混合时沉淀; 没有污染物[28]，没有形成文石。我们很容易地复制了这个一般结果，建立了我们通过用Feigl染色（硫酸银和硫酸锰）染色[29]和粉末X射线衍射得到的沉淀相的结构。

为了完成我们对CaCO 3系统的分析，我们获得了矿物文石和方解石的天然标本。实验一致表明，文石吸附的放射性标记RNA比方解石更多。为了通过沉淀获得合成矿物，我们推断如果RNA优选与方解石结合文石，那么RNA可能使方解石沉淀物上的文石沉淀物形成核。

最初的结果很吉利。Feigl染色表明CaCO 3在RNA存在下优先沉淀为文石，这里从曲霉菌中分离出来。当在160ng rRNA存在下将Na 2 CO 3（1M）溶液与CaCl 2（1M）溶液混合时首次观察到，对照实验相同，除了不存在RNA。两种沉淀物都用Feigl染色剂染色，文石染成黑色，而方解石保持白色（图3））。然后我们进行粉末X射线衍射以确认沉淀碳酸钙的结晶形式。这里，结果是可变的，但在RNA存在下形成的沉淀物通常被鉴定为主要为球霰石。我们没有这些观察的分子解释。

结合RNA的稳定性

然后我们表明，与文石结合的RNA比水溶液中的相同RNA更稳定。对于这些实验，将相同的5'- 32 P标记的83-mer RNA（2μL，50nM）点在五片天然文石上，用H 2 O 洗涤以消除未结合的RNA，在升高的温度下在热块中干燥放置（25°C，37°C，55°C，75°C或95°C），并孵育2小时。温育后，用1M甲酸从文石中洗脱RNA，纯化，并用一组对照样品加载到变性PAGE上，其中RNA以相同方式处理，但是在水相中（参见材料和方法）。有趣的是，在95℃温育2小时后，约70％的与文石结合的RNA保持全长。相比之下，RNA以相同的方式处理，但在水溶液中（图4，比较泳道6和11）显示高水平的降解，没有可检测的全长RNA。

这里报告的结果表明，在可能的情况下，可以使用天然矿物，合成沉淀矿物和共沉淀矿物组合的比较来得出所收集的吸附数据与矿物种本身相关的结论，以及不仅仅反映大型大分子对大表面的粘附。这种比较方法还使我们能够避免在分子方面对“吸附百分比”实际意味着什么的困难讨论，其中涉及的实际表面积基本上是不可知的。

应注意，沉淀的矿物质不一定是（或甚至通常）无定形的材料。然而，它们的晶体尺寸通常小于在田地中收集的矿物晶体的尺寸。

在可能的情况下（例如，多个萤石样品，方解石和菱镁矿的大均匀表面等），进行复制品。然而，这里提出的要点是错误不是可以通过标准统计方法分析的那种“错误”。这要求错误“正常分布”。这里，误差问题来自与天然样品有关的系统误差，因为“相同”矿物的两个不同样本，或甚至同一样本的两个不同部分，实际上可能具有不同的组成，因此可能给出不同的结果。它们不是“正常”分布的Boltzmann，并且从多次运行中添加标准偏差仅提供统计支持的欺骗性错觉。在这项工作中，

这种比较方法最明显的局限性来自大自然。具有不同元素组成的矿物的稀有性决定了它们对这些实验的可用性。一些元素组合物在自然界中根本找不到。

因此，使用这种方法进行包括周期表中过渡金属矿物的组（垂直）比较的分析并不是特别明智。例如，磷酸铁是众所周知的矿物质（vivianite），它吸附RNA（≈12％，表2）。然而，寻找低于铁的vivianite的周期表相关是没有意义的。这将需要我们制造和/或发现磷酸钌和磷酸鏻，这两者都没有在矿物学中报道过。

同样，即使在过渡金属中，周期表中的水平比较也存在问题。例如，我们发现RNA与天然二氧化钛（金红石，在我们的实验中为21％）和氧化铁（III）（Fe 2 O 3，赤铁矿，在我们的实验中为30％）结合，但不与磁铁矿（Fe 3 O）结合。4）[30]。然而，这些不同元素可以获得的氧化还原状态的差异使得直接比较不太可能有效。

这些结果最引人注目的结果是RNA对碱土金属矿物（碳酸盐和硫酸盐）吸附的周期表关系。在这两种情况下，钡矿物质比锶矿物质结合更多的RNA，锶矿物质比钙矿物质结合更多的RNA，钙矿物质比镁矿物质（当可获得时）结合更多的RNA。

一些证据表明晶体表面在这一趋势中很重要。例如，像堇青石和锶铁矿一样，文石比方解石更好地吸附RNA。此外，重晶石和锶石的晶体结构与文石的晶体结构属于同一族。同样，球霰石在其晶体结构中类似于文石，而不是类似于方解石。总之，这些结果表明，至少在假设的水平上，RNA的分子结构与具有假六方对称性的阳离子的正交碳酸盐晶体（“文石组”）的表面更相容，而不是与在方解石和菱镁矿中观察到三角晶体。

在此，RNA在文石上的吸附性，以及文石在热力学上更稳定的方解石上使文石和/或球霰石生长成核的能力具有潜在的益生元意义，这些碳酸盐上RNA的稳定化也是如此。所有这些矿物都可能存在于地球早期。它们在火星上也是众所周知的[31]。今天，大多数碳酸钙是生物活动的结果。如果今天不存在这种活动（也许，但也许不是，在火星上），我们可能会发现在生理上形成稳定的RNA。

当然，这些结果必须保持暂定，直到其他实验室再现。我们仍然担心天然矿物的特定性质可能因不同的来源，不同的杂质，清洁表面的不同成功程度以及可能影响这些结果的其他一千个变量而有所不同[32]。减轻这种担忧的事实是，无论是否通过用过氧化氢或稀酸处理来清洁矿物质，这些实验中的吸附模式都没有改变。

但是，作为警示，我们指出结果（表2）用不同的氟化钙（萤石）样品获得。自然界中的萤石以其戏剧性且通常具有吸引力的颜色变化而闻名，包括无色，绿色，黄色和紫色品种。通常，这些颜色在单个样本上分级，因为当样本结晶时，负责颜色的不同杂质从环境中消耗。在这里，我们检查了天然绿色和天然紫色萤石的样品。发现紫色萤石样本不吸附RNA。相反，绿色萤石样品吸附了约25％的RNA。绿色通常归因于矿物晶格内的少量铁或钐。虽然仅从两个不同来源的两个不同样本中观察到这种差异，但这种差异是值得注意的。