30年來，傑拉爾德·喬伊斯一直試圖創造生命。在20世紀80年代讀研究生時，他研究了第一批RNA分子（DNA的化學近親，既能儲存又能傳遞遺傳資訊）如何從更簡單的單元中自我組裝，許多科學家認為這個過程導致了最早的生物。
不幸的是，他遇到了一個問題。在化學層面上，一種深刻的偏見滲透到所有生物學中。構成DNA和其他核酸（如RNA）的分子具有固有的“手性”。這些分子可以以兩種映象形式存在，但只有右手版本存在於生物體中。手性在生物體中發揮著至關重要的作用；許多驅動我們細胞的化學反應只能與具有正確手性的分子一起工作。但是，生命的生物前構建模組並沒有表現出如此壓倒性的偏見。有些是左手性的，有些是右手性的。那麼，右手性RNA是如何從分子混合物中出現的呢？
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和思想的具有影響力的故事的未來。
喬伊斯能夠用右手性構建模組構建RNA，就像其他人之前所做的那樣。但是，當他加入左手性分子，模仿早期地球的條件時，一切都停止了。“我們的論文說，如果你在同一時間在同一地點有[兩種]形式，你甚至無法開始，”喬伊斯說。
他的發現，於1984年在《自然》雜誌上發表，表明為了生命的出現，首先必須打破左手性和右手性分子之間的對稱性，生物化學家稱之為“打破映象”的事件。從那時起，科學家們主要將尋找生命手性起源的重點放在物理學和化學的生物前世界，而不是生物學。
三十年後，喬伊斯的最新研究表明，也許生命首先出現。喬伊斯現在在加利福尼亞州拉霍亞的斯克裡普斯研究所，喬納森·什切潘斯基是一位博士後研究員，他們創造了一種RNA酶——一種複製RNA的物質——可以在左手性和右手性構建模組的混合物中發揮作用，為一些最早的生物分子如何在對稱世界中進化提供了潛在的機制。這項新的實驗，於11月20日發表在《自然》雜誌上，發表，重新激發了關於生命最初如何產生的討論。“他們真的開闢了新的可能道路，”俄勒岡州波特蘭州立大學的生物化學家奈爾斯·萊曼說，他沒有參與這項研究。
更令人感興趣的是，喬伊斯和什切潘斯基的酶的工作方式與其他RNA複製分子不同，這一發現可能對生命的起源產生深遠的影響。該酶比迄今為止開發的其他基於RNA的酶更有效和靈活，它可能為喬伊斯的最終目標——從零開始創造生命——提供關鍵。
映象的裂縫
著名的19世紀法國化學家路易斯·巴斯德是第一個描述化學手性或“旋光性”的人。他對從葡萄酒糟中提取的晶體使光線朝特定方向扭曲這一事實感到困惑，但在實驗室合成的相同晶體卻沒有。在顯微鏡下檢查晶體後，他發現合成化學物質有兩種映象形式，它們相互抵消了偏振效應。而從葡萄酒中提取的晶體只有一種。
科學家後來發現，這種偏見涵蓋了整個生物世界。合成化學過程將產生左手性和右手性分子。但是，當自然界製造分子時，產物要麼是左手性的，要麼是右手性的。例如，所有用於製造蛋白質的氨基酸都使光線向左扭曲。
實際上，手性是生物化學的重要組成部分。“它提供了一種分子識別形式，”斯克裡普斯研究所的化學工程師，喬伊斯的同事唐娜·布萊克蒙德說。分子的手性影響其與其他細胞成分的相互作用。分子鎖只能用具有正確手性的鑰匙開啟。
一些科學家將目光投向天空，以解釋這種生物學偏見最初是如何產生的。一些隕石顯示出左手性氨基酸（蛋白質的構建模組）的輕微優勢，表明這種影響來自外太空。另一種宇宙起源理論認為，來自超新星的圓偏振光引發了偏見。此外，放射性衰變產生的電子更可能具有左手性。這些傾瀉到地球表面的電子可能改變了地球早期的化學性質。
然而，大多數生物學家和化學家都對這些天體物理學理論持懷疑態度。它們產生的偏見太小了。達特茅斯學院的理論物理學家馬塞洛·格萊澤說，這些理論創造了“生命與非生命之間美好的結合”。“但問題是，這些相互作用非常微弱且短程。” 喬伊斯認為，這些物理力的影響將在化學反應的噪音中消失。“宇宙中如此小的不對稱性不足以推動指標，”他說。
生物化學家傾向於支援另一種提議，即生物前化學的偶然發生引發了最初的失衡。也許少量的右手性核苷酸被捕獲並放大在淺水池或某些其他生物前試管中。最終，這種偏見達到了臨界點，打破了化學映象，為生命的出現奠定了基礎。布萊克蒙德做了大量工作，展示瞭如何使用純粹的物理和化學手段將微小的不對稱性轉化為幾乎完全的不對稱性。
同時握手
30年前喬伊斯進入這個領域時，研究人員已經在嘗試檢驗一些天體物理學理論。但喬伊斯持懷疑態度。“我想，當這可能是偶然的時候，你為什麼要如此努力地尋找普遍的解釋呢？”他說。
大約在同一時間，科學家們試圖弄清楚生命的構建模組——氨基酸和核酸——是如何自發形成更復雜的分子，如蛋白質、DNA和RNA的。喬伊斯認為，這種組裝過程可能會產生映象的裂縫。一種選擇性地從原始湯中挑選右手性構建模組的反應將很快開始僅產生右手性分子，就像一臺只從混合箱中選擇紅色或藍色樂高積木的機器會建立單色塔一樣。
這樣的過程將同時解決生命起源中的兩個問題：它將創造複雜的生物分子，同時打破映象。喬伊斯在20世紀80年代進行的實驗旨在檢驗這個想法，但它的失敗使人們對右手性RNA分子如何從原始湯的成分中形成產生了疑問。“那是一團糟，”喬伊斯說。“左手性構建模組會毒害正在生長的鏈。”
這些發現對於新生的“RNA世界”理論尤其成問題，該理論提出生命起源於能夠自我複製的RNA分子。RNA是第一個生物分子的最佳候選者，因為它同時具有DNA和蛋白質的特性。與DNA一樣，它以鹼基序列攜帶資訊。與酶一樣，它可以催化化學反應。（RNA酶被稱為核酶。）
但是，如果複製RNA的核酶不能在化學對稱的世界中發揮作用，那麼基於RNA的生命是如何出現的呢？“這有點像一個障礙，”加拿大西蒙弗雷澤大學的生物化學家彼得·昂勞說。自喬伊斯1984年的實驗以來，科學家們提出了無數種方法來繞過這個問題，從物理和化學理論到缺乏手性的RNA前體。
鑑於已知的侷限性，喬伊斯開始專注於創造一種簡單的核酶，使其僅在右手性構建模組存在的情況下才能複製RNA。他的團隊取得了一些成功，但沒有一個滿足RNA世界理論的要求。
因此，去年，喬伊斯和什切潘斯基決定從頭開始。他們釋放了一池隨機的右手性RNA分子，讓它們在試管中與左手性構建模組反應。他們希望在隨機的RNA分子池中存在一種能夠將構建模組串聯在一起的核酶。然後，他們分離出最佳候選者——能夠複製相反手性的RNA的核酶——複製它們，並將新的池一次又一次地進行相同的試驗。
在短短幾個月內，他們獲得了一種出人意料的有效核酶。右手性版本與左手性RNA模板結合，併產生左手性副本。然後，左手性副本可以繼續產生右手性版本。“他們所做的令人驚歎，”亞利桑那州立大學坦佩分校的生物化學家約翰·查普特說。“它確實觸及了手性起源問題的核心，併為推動事物向前發展提供了一些可靠的證據。”
也許更令人興奮的是這種酶的工作效果有多好。迄今為止創造的其他核酶過於挑剔，無法孕育生命；它們僅複製某些RNA序列，就像只能種植土豆而不能種植胡蘿蔔或豌豆的土壤。但是喬伊斯的核酶可以產生一系列序列——包括它自己的序列。而且它還在變得更好。論文中的核酶僅在16輪進化後出現，對於這種實驗來說，這是一個令人震驚的短暫執行。進一步的進化輪次已經提高了它的能力，儘管這些發現尚未發表。“最美妙的是，這仍然是一種年輕的酶，”萊曼說。“還有很大的改進空間。”
新核酶如此有效的原因在於其不尋常的運作方式。常規核酶根據其字母序列與其目標結合，就像拉鍊的兩側合在一起一樣。有時它工作得太好，目標會被卡住。這種結合僅適用於兩個具有相同手性的分子，這意味著喬伊斯的核酶不能以這種方式結合。
相反，它基於分子的形狀而不是序列進行結合，事實證明這種方法更加靈活。“他們發現了一些全新的東西，”萊曼說。“這表明有很多我們不知道的東西。”
科學家現在擁有了一種不需要手性世界的酶。包括喬伊斯本人在內的研究人員仍在試圖理解其含義。這些發現開啟了手性在生命首次進化後出現的可能性。“也許我們不需要打破對稱性，”布萊克蒙德說。
哈佛大學的生物化學家，喬伊斯的合作者之一傑克·肖斯塔克對這些發現感到興奮，尤其因為該核酶比早期版本靈活得多。但是，他說，“我懷疑生命是以這種方式開始的。” 肖斯塔克認為，這種情況將需要左手性和右手性RNA酶同時在同一地點出現，這是極不可能的。
右手性統治
如果手性在生命起源後的某個時候出現，那麼問題仍然存在：為什麼右手性RNA獲勝？左手性和右手性分子具有化學上相同的性質，因此沒有明顯的理由讓其中一種勝出。
喬伊斯和其他人懷疑這僅僅是偶然。假設一種能夠將混合核酸池轉化為左手性和右手性RNA的核酶出現在早期地球上。它將產生兩個不同的群體，左撇子和右撇子，反過來，它們可能像競爭種群一樣發揮作用。“如果右手偶然發現了有用的突變並贏得了比賽，那麼映象的另一側可能會變暗，”喬伊斯說。例如，右手性RNA組可能已經發展出某種競爭優勢，例如產生蛋白質，最終超越了左手性組，併產生了我們今天看到的偏見。
只有一種方法可以真正確定哪隻手更優越：構建向每個方向扭曲的生命形式，並肩評估它們。哈佛大學的喬治·丘奇及其合作者正致力於做到這一點。如果他們可以製造所有細胞部分的映象版本，他們就可以構建合成細胞，並比較原本相同的左手性和右手性生命版本。
為了創造映象RNA，丘奇及其合作者首先需要製造能夠將映象構建模組縫合在一起的映象酶。猶他大學的邁克爾·凱的團隊幾乎完成了化學合成一種此類酶的普通版本的方法的開發。一旦完成，兩個團隊將應用相同的方法來製造能夠組裝映象RNA的映象酶。丘奇和其他人也在構建檢測映象生命的工具，這可能在尋找其他星球上的生命跡象時證明非常重要。
喬伊斯仍然對從零開始創造生命感興趣。他說，包括手性問題在內的一切都只是通往更大獎項的障礙。
新的核酶可能提供了迄今為止最好的機會。它幾乎滿足了生命最基本的屬性——複製和進化的能力。“他們甚至展示了映象可以複製自身，”查普特說。“這非常接近複製。” 下一步將是使這種情況迭代發生。“如果你照鏡子，複製一個，然後把自己放在鏡子裡，複製鏡子裡的人，那麼你就有了複製，”查普特說。
迭代過程開啟了進化的可能性，因為複製過程中產生的錯誤將使分子能夠進化出新的特性。“所有這一切的真正關鍵在於建立一個能夠在實驗室中自行進化的系統，”昂勞說。“傑裡快成功了。”
經量子雜誌許可轉載，量子雜誌是西蒙斯基金會的編輯獨立出版物，其使命是透過報道數學以及物理和生命科學的研究進展和趨勢來增進公眾對科學的理解。