瓶中进化:合成生命逐渐逼近现实

自我复制 RNA 将科学向前推进,朝着人造生命迈进了一步

杰拉尔德·F·乔伊斯承认,当他看到实验结果时,他曾一度想停止进一步的工作并立即发表结果。经过多年的尝试,他和他的学生特蕾西·林肯终于找到了一对短小但功能强大的 RNA 序列,当它们与简单的 RNA 构建模块混合在一起时,数量会一次又一次地翻倍,在几个小时内扩大 10 倍,并在有空间和原材料的情况下继续复制。

但乔伊斯并不完全满意。这位 53 岁的分子化学家是加利福尼亚州拉霍亚斯克里普斯研究所的教授和院长,他是“RNA 世界”假说的创始倡导者之一。该假说认为,我们所知的生命——基于 DNA 和酶蛋白的生命,RNA 在很大程度上仅充当遗传信息的信使——是从一个更简单的前生物化学系统中进化而来的,该系统主要甚至完全基于 RNA。当然,只有 RNA 能够独立支持进化,这个想法才有可能成立。乔伊斯想,他的合成 RNA 也许可以帮助证明这种可能性。因此,他和林肯又花了一年时间研究这些分子,使其发生突变,并设置竞争,只有最适者才能生存。

一月份,在查尔斯·达尔文诞辰二百周年前一个月,他们在《科学》杂志上公布了结果。他们的小型试管系统确实表现出达尔文进化的几乎所有基本特征。最初的 24 种 RNA 变体得以繁殖,有些繁殖速度比其他变体更快,这取决于环境条件。每种分子物种都与其他物种竞争共同的构建模块库。而且繁殖过程并不完美,因此新的突变体——乔伊斯称之为重组体——很快出现甚至蓬勃发展。


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乔伊斯回忆说:“我们让它运行了 100 个小时,在此期间,我们看到复制分子数量总体放大了 1023 倍。很快,最初的复制器类型就消失了,重组体开始接管种群。”然而,没有一种重组体能够做一些新的事情,也就是说,一些它的祖先都无法完成的事情。

这种关键的缺失成分仍然将人工进化与真正的达尔文进化区分开来。“这不是活着的,”乔伊斯强调说。“在生命中,可以凭空创造出新的功能。我们还没有做到这一点。我们的目标是在实验室中制造生命,但要实现这一目标,我们需要增加系统的复杂性,使其能够开始创造新的功能,而不仅仅是优化我们设计到其中的功能。”

这个目标显然是可能的,因为乔伊斯实验室中的 RNA 复制器相对简单:每个复制器只有两个可以变化的基因样部分。每个“基因”都是 RNA 的一个短小构建模块。复制器作为一种 RNA 酶,可以收集这两个基因并将它们连接在一起,从而创建一个酶,该酶是复制器的“配偶”。配偶被释放出来并收集两个松散的基因,然后将其组装成原始复制器的克隆。当配偶不忠并连接了原本不应该彼此连接的基因时,就会出现重组体。然而,重组体并没有创造基因。或许有可能设计出一个能够创造基因的系统,或者通过为每个复制器提供更多可供使用的基因来增加复杂性。

伊利诺伊大学的化学家斯科特·K·西尔弗曼一直在 DNA 酶领域进行开创性工作,他希望“通过捕捉新分子中的达尔文进化,我们或许能够更好地理解生物进化的基本原理”,其中大部分在分子水平上仍然有些神秘。例如,乔伊斯和林肯在对实验进行事后检查时注意到,三个最成功的重组体形成了一个小团体。每当任何小团体成员出现繁殖错误时,结果都是另外两个同伴之一。

乔伊斯说,创造实验室生命的下一个重大步骤将是设计(或进化)一组能够执行新陈代谢和复制的合成分子。哈佛医学院的遗传学家杰克·W·绍斯塔克开发了非生物蛋白质,这些蛋白质可以结合 ATP,ATP 是一种对新陈代谢至关重要的能量携带化学物质。绍斯塔克的实验室还在尝试制造原始细胞,将 RNA 包裹在脂肪酸微小球体(称为微胞)中,这些微胞可以自发形成、融合和复制。

即使生物化学家确实设法将 RNA 和其他基本化合物组合成某种形式的合成生命,这种工程系统最初也可能非常复杂,以至于几乎无法证明自然生命是在 40 亿年前以某种类似的方式开始的。乔伊斯的复制器仅由 50 个化学字母组成,但他指出,这种序列偶然出现的几率约为 1/1030。“如果它是六个甚至十个字母长,那么我会说我们可能处于合理性的范围内,人们可以想象它们在原始汤中自发组装。”

从试管生命到诊断工具

杰拉尔德·F·乔伊斯说,在《自然生物技术》杂志上即将发表的一篇论文中,描述了他的实验室在加利福尼亚州拉霍亚斯克里普斯研究所如何改造 RNA 复制器,使其必须执行生化功能才能繁殖。他认为,进化竞赛的获胜者将是医学诊断的良好候选者。伊利诺伊大学的斯科特·K·西尔弗曼表示,这个想法很有价值:“假设您需要在存在大量不同化学物质的脏环境中进行检测——例如,您想在花生酱中找到沙门氏菌。如果不进行纯化步骤,这很难做到。如果能够进化诊断系统,使其仍然可以在所有噪声中找到信号,那将非常有用。” W.W.G.

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