科学探索|科学家在试管中让RNA分子演化成一个微小的生态系统科学家在试管中让RNA分子演化

经过一个对生命起源研究具有诱人意义的漫长实验，来自日本的一个研究小组报告称，他们创造了一个由分子组成的试管世界，这些分子自发地演化出复杂性并且令人惊讶地演化出合作。

文章图片

这项研究的论文第一作者、东京大学的项目助理教授Ryo Mizuuchi指出，在数百小时的复制过程中，一种单一类型的RNA进化成了五个不同的分子“物种”或宿主和寄生虫的世系，它们和谐共存、合作生存并就像一个“分子版的生态系统”的开始。
他们的实验证实了以前的理论发现，即具有复制手段的分子可以通过达尔文进化自发地发展出复杂性，“这是生命出现的关键步骤，”研究人员写道。
Mizuuchi说道：“我们可以提供直接的证据；我们可以看到当一个复制的分子在试管中复杂化时实际上会发生什么。”
没有参与这项研究的荷兰格罗宁根大学系统化学教授Sijbren Otto表示，这是朝着在实验室中进化出一个复杂的复制者网络迈出的第一步，也可能是最重要的一步，“有了这里展示的东西，未来的道路变得更加清晰，人们变得更加乐观并认为这实际上可以成功。”
来自伦敦大学学院的计算生物学家Joana Xavier称赞Mizuuchi和他的同事的工作是一个伟大的概念证明，其展示了一个最小的系统是如何能够复杂化的。
Spiegelman的怪物的产儿
新实验的根源可以追溯到20世纪60年代，当时分子生物学家Sol Spiegelman在他的实验室里创造了他称之为“小怪物”的东西。尽管这个标签有弗兰肯斯坦的影子，但他的小怪物不是绿色的、方眉的、咆哮的--甚至是没有生命的。它是一种合成分子，从而可以在试管中充满自己的副本。

文章图片

Spiegelman的怪物是一条基于病毒基因组的RNA变异链。这位生物学家发现，只要在有核苷酸构件和一种叫做复制酶的聚合酶的情况下加热和混合他就可以无限期地复制它。然而，他很快意识到，他的分子随着时间的推移变得越来越小。脱离了不必要的基因的副本复制得更快，这提高了它们在样品中被收集并转移到新试管中进一步复制的机会。就像生物物种一样，他的分子在自然选择的压力下开始变异和进化，从而可以在它们的玻璃世界中更好地生存。
这些研究是世界上第一个在分子水平上展示达尔文进化论的实验--“通过自然选择的进化，适者生存”，美国国家卫生研究院国家生物技术信息中心的杰出调查员Eugene Koonin说道，“在那些条件下，适者生存仅仅意味着最快的复制。”
Spiegelman的工作激发了数十年的进一步研究，其中大部分是关于生命起源的基础性研究，另外还为RNA世界假说提供了燃料，即生命源于自我复制的RNA分子。但这些研究没有回答一个关键问题。一个单一的分子复制器能否演变成一个由多个复制器组成的复杂网络？
大概十年前，当Norikazu Ichihashi还是日本大阪大学生物信息工程的副教授时他就开始通过调整Spiegelman的试管世界来了解答案。“我们试图把我们的系统开发得更逼真一点，”Ichihashi说道。
对此，Ichihashi和他的团队开发了一种编码复制酶的RNA分子，它可以制作RNA的副本。但为了使分子能翻译自己的代码，科学家们需要增加一些东西：核糖体和其他基因翻译机器，他们从普通的肠道细菌大肠杆菌那里借来的。他们将这些机器嵌入液滴中并将它们加入到RNA和原料的混合物中。然后是多年乏味的混合和等待。