生命是如何在地球上開始的？這是一個(gè)亙古不變的科學(xué)話題。可制作自身副本的分子被認(rèn)為對理解這個(gè)過程至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兲峁┝松到y(tǒng)的一個(gè)重要特征———遺傳基礎(chǔ)。最近，美國斯克里普斯研究所科學(xué)家的新發(fā)現(xiàn)，在回答生命如何開始的生化問題上邁出了重要一步，他們首次在無需任何蛋白質(zhì)和其他細(xì)胞成分的情況下，合成出可自我復(fù)制的RNA，而且這種復(fù)制可無限進(jìn)行下去。該項(xiàng)研究成果刊登在最近出版的《科學(xué)》雜志上。
在現(xiàn)代世界中，DNA攜帶著高級生命體的遺傳序列，而RNA依賴于DNA來履行其諸如合成蛋白質(zhì)等任務(wù)。但是，一個(gè)關(guān)于生命起源的主要理論———RNA世界模型認(rèn)為，因?yàn)镽NA同時(shí)具有基因和酶的功能，RNA可能先于DNA和蛋白質(zhì)出現(xiàn)，并扮演著生命的祖先分子這一重要角色。然而，復(fù)制一個(gè)遺傳分子的過程，被認(rèn)為是生命的一個(gè)基本條件，由于涉及眾多的蛋白質(zhì)和其他細(xì)胞成分，復(fù)制過程極其復(fù)雜。
多年來，研究人員一直想了解是否存在一些由RNA自己帶來的復(fù)制RNA的簡單方式。此前曾有研究人員沿著此一路線做過一些試探性工作，但并沒有人能證明RNA復(fù)制是可以自我增殖的，也就是使新的RNA副本也能復(fù)制自身。
體外進(jìn)化RNA酶
斯克里普斯研究所的翠西·林肯和她的指導(dǎo)老師杰拉德·喬伊斯教授一直在研究RNA復(fù)制概念（RNA-onlyreplicationconcept）。他們一開始使用了一種在體外進(jìn)化中為人熟知的強(qiáng)制適應(yīng)方法，目標(biāo)是采取一個(gè)已在實(shí)驗(yàn)室中開發(fā)出的可完成基本化學(xué)復(fù)制的RNA酶，并將其加以改進(jìn)到可驅(qū)動高效、永久的自我復(fù)制。林肯完成了這項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作，她在實(shí)驗(yàn)室中合成了大量的RNA酶變種，之后采用了一種試管進(jìn)化程序，從這些RNA酶變種中獲得最擅長將RNA片段結(jié)合在一起的變種。
最終，這一過程使研究小組分離出了原始RNA酶的一個(gè)進(jìn)化版本，該版本是一個(gè)非常高效的復(fù)制者，這是包括喬伊斯在內(nèi)的許多研究團(tuán)隊(duì)苦苦奮斗多年想要獲得的東西。這個(gè)經(jīng)改進(jìn)的RNA酶所要完成的首要任務(wù)就是能進(jìn)行永久的復(fù)制。林肯說，這個(gè)結(jié)果令她自己都感到震驚。
永存的分子遺傳信息
復(fù)制系統(tǒng)實(shí)際上涉及兩種酶，每種酶都由兩個(gè)亞基組成，每種酶都作為催化劑來裝配另外一種酶。復(fù)制過程是循環(huán)的，在此過程中第一種酶和組成第二種酶的兩個(gè)亞基結(jié)合，將其連接形成第二種酶的一個(gè)新副本；同時(shí)，第二種酶也對第一種酶做著同樣的工作。這樣，兩種酶相互裝配對方，用術(shù)語來說叫做交叉復(fù)制。只需要剛開始時(shí)少量的兩種酶及穩(wěn)定供應(yīng)的亞基，交叉復(fù)制即可無限進(jìn)行下去。喬伊斯說，這是生物學(xué)之外分子信息可永存的唯一案例。
研究人員并沒有就此停住腳步，他們建立了具有類似功能的各種不同的酶對（enzymepairs）。他們將12種不同的交叉復(fù)制對，連同其所有的組成亞基進(jìn)行混合，讓它們在一次優(yōu)勝劣汰的分子實(shí)驗(yàn)中相互競爭。大多數(shù)情況下，這些復(fù)制酶會正確增殖，但有時(shí)復(fù)制酶也會犯錯誤，將一個(gè)亞基和其他復(fù)制酶的一個(gè)亞基結(jié)合起來。當(dāng)這種“突變”發(fā)生時(shí)，由此產(chǎn)生的重組酶還能持續(xù)復(fù)制，但最適合的復(fù)制酶數(shù)量會越來越多，始終占據(jù)著混合物的統(tǒng)治地位。
研究表明，該系統(tǒng)能維持分子的遺傳信息，并以一種類似于達(dá)爾文進(jìn)化的方式引起自身的變化。所以，林肯說：“我們現(xiàn)有的研究對象是無生命的，但我們已能表明其擁有類似于生命的特性，這是非常有趣的。”
叩擊生命之門
生命的歷史起源已永遠(yuǎn)不能被精確地重建了，因此如果沒有一臺可靠的時(shí)光機(jī)器的話，人們必然就會提出另一個(gè)相關(guān)的問題：生命是否也許曾在實(shí)驗(yàn)室中被創(chuàng)立。當(dāng)然，這也許能揭示生命開始時(shí)可能的模樣，至少在輪廓上。林肯這樣評論她們的工作，“我們并不是要試圖倒回磁帶，但是相關(guān)研究也許能告訴你怎樣去開始理解在實(shí)驗(yàn)室中出現(xiàn)生命這一新過程”。
喬伊斯說，只有當(dāng)一個(gè)實(shí)驗(yàn)室中開發(fā)的系統(tǒng)具有在自身基礎(chǔ)上發(fā)展出新功能的能力時(shí)，它才能被稱為所謂的生命。“我們正在叩擊這扇生命之門，但我們還沒有達(dá)到這一點(diǎn)”。
研究小組創(chuàng)建的酶中的亞基，每個(gè)都包含許多的核苷酸，因此這些亞基是相當(dāng)復(fù)雜的。盡管基礎(chǔ)架構(gòu)看起來是很簡單的，但這項(xiàng)工作最終表明，一個(gè)以RNA為基礎(chǔ)的更為簡單的生命形式至少是有可能的，這必將推動研究人員更加深入地探索有關(guān)生命起源的RNA世界模型理論。
