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研究发现生命或源于石墨烯,兰州化物所等在石

中国农科院兰州牧药所 研究发现生命或源于石墨烯

石墨烯作为二维碳纳米材料,被广泛应用于能源电子、生物医药和化工材料等领域。目前,多位科学家根据理论计算预言石墨烯将有可能作为一种单原子层过滤膜用于海水淡化、污水处理、能源电池领域。

本报讯8月22日,记者从中国农科院兰州牧药所获悉,该所与中科院兰州化学物理研究所、兰州大学等机构联合组成的研究团队发现——原始细胞起源于石墨烯。这一发现在线发表于《科学报告》。

近日,中国科学院兰州化学物理研究所研究员邱洪灯带领的“百人计划”研究团队与中国科学院近代物理研究所、兰州大学等单位合作,利用重离子加速器辐照PET基单层石墨烯膜并结合化学蚀刻技术,成功制备出可用于水溶液中无机金属离子分离的多孔石墨烯分离膜,研究了电场、酸度及温度等因素对无机金属离子的选择性分离的影响,并结合密度泛函理论对分离过程进行模拟计算。研究表明,石墨烯纳米孔对金属离子的高选择性源于纳米孔周围的羧基带来的离子交换作用。该工作为多孔石墨烯分离膜的制备及石墨烯纳米孔的应用提供了新的思路。研究结果发表在美国《分析化学》杂志(Analytical Chemistry, 2016, DOI: 10.1021/acs.analchem.6b02175)上。

该论文的第一作者,中国农科院兰州牧药所王春梅说,研究团队在做材料的离子选择性实验时,偶然发现石墨烯具有和生物细胞一样的离子选择性。因此,在实验室模拟了强酸性高盐度的原始海洋条件,发现不同大小的单层石墨烯随着温度的变化会自发卷成一个个封闭的小管,或者包裹成为类似于细胞大小的囊泡。这些小管内表面的螺旋结构与DNA/RNA的螺旋夹角高度一致。

此外,研究人员还发现,石墨烯纳米孔对于一价碱金属离子的过滤顺序与这些金属离子通过细胞膜的顺序(Rb+ ” K+ ” Cs+ ” Na+ ” Li+)惊人地相似,这说明石墨烯纳米孔具有类似细胞膜钾离子通道的功能。同时,还发现石墨烯在高盐度和酸度的环境中可以自发卷曲为类细胞尺度、结构的单层胶囊或单壁纳米管,吸附磷脂的石墨烯则能形成类似细胞的双层结构胶囊,这种结构高度类似于现有细胞结构。进一步研究证实,石墨烯可优先吸附左旋氨基酸。更为重要的是通过计算表明,石墨烯卷曲成的纳米管具有类似核酸的阿尔法螺旋结构。根据这些研究推测,闪电高温形成的石墨烯落入原始高酸度高盐度的海洋中,自发卷曲为类细胞膜的结构,随后在选择性吸附米勒实验中形成的左旋氨基酸,促使了原始蛋白在石墨烯表面的合成。同时随着含磷化合物的出现,石墨烯进一步促使了核酸的形成,进而演化成为原始细胞。相关工作发表在《科学报告》杂志(Scientific Reports, 2015, 5, 10258) 上。

团队成员田龙龙说,这些中空的囊泡可以容纳一些有机物质,例如一小段肽链,能为脆弱的原始生命提供稳定的保护场所。研究团队还模拟原始大气层中的高能辐射使石墨烯表面产生很多纳米孔,这些孔对金属离子具有高度选择性,且选择顺序与细胞膜一致,这很可能就是细胞离子通道的原始模型。研究同时还发现,石墨烯表面对左旋氨基酸的亲和力大于右旋氨基酸,而现代生物的肽链几乎全是由左旋氨基酸组成。石墨烯表面能吸附多肽链,并可自发形成二级结构。这意味着石墨烯或许能激活肽链变为蛋白质。团队成员李湛介绍说:“蛋白和核酸如果都能从石墨烯环境中合成的话,那就意味着蛋白与DNA/RNA没有先后关系,这两种物质很有可能同时大量存在于原始地球中,一起相互作用,演变为生命。”

以上工作得到了国家自然科学基金、甘肃省杰出青年基金及兰州化物所“一三五”重点培育项目的资助。

基于这一理念,该团队提出了一种全新的生命起源理论,认为生命起源于石墨烯:原始的海洋中,核酸和蛋白同时起源于石墨烯表面,混合缠绕在一起;这种混合大量的存在于原始的海洋中,随着石墨烯囊泡的出现,包入其中,互相作用,从而演变为生命。而现有的各种生命也不是从最为简单的生物进化而来,因为原始海洋包含有大量的各种各样的RNA,这些相同或类似的结构各自发育进化,从而演变为现有的大千世界。

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《中国科学报》 (2015-08-24 第4版 综合)

PET基单层石墨烯膜纳米孔及分离机理示意图

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