瓶中進化:合成生命逐漸逼近現實

自我複製 RNA 將科學向前推進,朝著人造生命邁進了一步

傑拉爾德·F·喬伊斯承認,當他看到實驗結果時,他曾一度想停止進一步的工作並立即發表結果。經過多年的嘗試,他和他的學生特蕾西·林肯終於找到了一對短小但功能強大的 RNA 序列,當它們與簡單的 RNA 構建模組混合在一起時,數量會一次又一次地翻倍,在幾個小時內擴大 10 倍,並在有空間和原材料的情況下繼續複製。

但喬伊斯並不完全滿意。這位 53 歲的分子化學家是加利福尼亞州拉霍亞斯克裡普斯研究所的教授和院長,他是“RNA 世界”假說的創始倡導者之一。該假說認為,我們所知的生命——基於 DNA 和酶蛋白的生命,RNA 在很大程度上僅充當遺傳資訊的信使——是從一個更簡單的前生物化學系統中進化而來的,該系統主要甚至完全基於 RNA。當然,只有 RNA 能夠獨立支援進化,這個想法才有可能成立。喬伊斯想,他的合成 RNA 也許可以幫助證明這種可能性。因此,他和林肯又花了一年時間研究這些分子,使其發生突變,並設定競爭,只有最適者才能生存。

一月份,在查爾斯·達爾文誕辰二百週年前一個月,他們在《科學》雜誌上公佈了結果。他們的小型試管系統確實表現出達爾文進化的幾乎所有基本特徵。最初的 24 種 RNA 變體得以繁殖,有些繁殖速度比其他變體更快,這取決於環境條件。每種分子物種都與其他物種競爭共同的構建模組庫。而且繁殖過程並不完美,因此新的突變體——喬伊斯稱之為重組體——很快出現甚至蓬勃發展。


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喬伊斯回憶說:“我們讓它運行了 100 個小時,在此期間,我們看到複製分子數量總體放大了 1023 倍。很快,最初的複製器型別就消失了,重組體開始接管種群。”然而,沒有一種重組體能夠做一些新的事情,也就是說,一些它的祖先都無法完成的事情。

這種關鍵的缺失成分仍然將人工進化與真正的達爾文進化區分開來。“這不是活著的,”喬伊斯強調說。“在生命中,可以憑空創造出新的功能。我們還沒有做到這一點。我們的目標是在實驗室中製造生命,但要實現這一目標,我們需要增加系統的複雜性,使其能夠開始創造新的功能,而不僅僅是最佳化我們設計到其中的功能。”

這個目標顯然是可能的,因為喬伊斯實驗室中的 RNA 複製器相對簡單:每個複製器只有兩個可以變化的基因樣部分。每個“基因”都是 RNA 的一個短小構建模組。複製器作為一種 RNA 酶,可以收集這兩個基因並將它們連線在一起,從而建立一個酶,該酶是複製器的“配偶”。配偶被釋放出來並收集兩個鬆散的基因,然後將其組裝成原始複製器的克隆。當配偶不忠並連線了原本不應該彼此連線的基因時,就會出現重組體。然而,重組體並沒有創造基因。或許有可能設計出一個能夠創造基因的系統,或者透過為每個複製器提供更多可供使用的基因來增加複雜性。

伊利諾伊大學的化學家斯科特·K·西爾弗曼一直在 DNA 酶領域進行開創性工作,他希望“透過捕捉新分子中的達爾文進化,我們或許能夠更好地理解生物進化的基本原理”,其中大部分在分子水平上仍然有些神秘。例如,喬伊斯和林肯在對實驗進行事後檢查時注意到,三個最成功的重組體形成了一個小團體。每當任何小團體成員出現繁殖錯誤時,結果都是另外兩個同伴之一。

喬伊斯說,創造實驗室生命的下一個重大步驟將是設計(或進化)一組能夠執行新陳代謝和複製的合成分子。哈佛醫學院的遺傳學家傑克·W·紹斯塔克開發了非生物蛋白質,這些蛋白質可以結合 ATP,ATP 是一種對新陳代謝至關重要的能量攜帶化學物質。紹斯塔克的實驗室還在嘗試製造原始細胞,將 RNA 包裹在脂肪酸微小球體(稱為微胞)中,這些微胞可以自發形成、融合和複製。

即使生物化學家確實設法將 RNA 和其他基本化合物組合成某種形式的合成生命,這種工程系統最初也可能非常複雜,以至於幾乎無法證明自然生命是在 40 億年前以某種類似的方式開始的。喬伊斯的複製器僅由 50 個化學字母組成,但他指出,這種序列偶然出現的機率約為 1/1030。“如果它是六個甚至十個字母長,那麼我會說我們可能處於合理性的範圍內,人們可以想象它們在原始湯中自發組裝。”

從試管生命到診斷工具

傑拉爾德·F·喬伊斯說,在《自然生物技術》雜誌上即將發表的一篇論文中,描述了他的實驗室在加利福尼亞州拉霍亞斯克裡普斯研究所如何改造 RNA 複製器,使其必須執行生化功能才能繁殖。他認為,進化競賽的獲勝者將是醫學診斷的良好候選者。伊利諾伊大學的斯科特·K·西爾弗曼表示,這個想法很有價值:“假設您需要在存在大量不同化學物質的髒環境中進行檢測——例如,您想在花生醬中找到沙門氏菌。如果不進行純化步驟,這很難做到。如果能夠進化診斷系統,使其仍然可以在所有噪聲中找到訊號,那將非常有用。” W.W.G.

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