文章來(lái)源：原理

　　生命起源一直是現(xiàn)代科學(xué)中最受關(guān)注的大問(wèn)題之一，要解開(kāi)這個(gè)謎題，我們還需要找到太多問(wèn)題的答案。我們所知道的生命其實(shí)基于一個(gè)復(fù)雜的相互作用的網(wǎng)絡(luò)，這些相互作用發(fā)生納米級(jí)在微觀尺度上，與數(shù)以千計(jì)的不同分子有關(guān)。在生物細(xì)胞中，有這樣一個(gè)基本過(guò)程每天都在無(wú)數(shù)次地重復(fù)發(fā)生——復(fù)制。

　　DNA中儲(chǔ)存著的遺傳信息包含了制造生物體發(fā)育、生長(zhǎng)和生存所必須的所有蛋白質(zhì)的指令，通過(guò)復(fù)制過(guò)程，蛋白質(zhì)能夠?qū)�這些編碼在DNA分子中的遺傳信息進(jìn)行復(fù)制，然后在細(xì)胞分裂時(shí)，將這些信息均勻地分配到兩個(gè)子細(xì)胞中。接著，這些信息會(huì)被有選擇地“轉(zhuǎn)錄”成信使RNA（mRNA）分子，信使RNA會(huì)被“翻譯”成最終能形成蛋白質(zhì)的氨基酸鏈。

　　在信使RNA被“翻譯”成蛋白質(zhì)的過(guò)程中，有一類(lèi)起著核心作用的RNA——轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（tRNA）。轉(zhuǎn)運(yùn)RNA在這個(gè)過(guò)程中負(fù)責(zé)將信使RNA翻譯成蛋白質(zhì)，確保每種特定蛋白質(zhì)所包含的氨基酸鏈都是按照相應(yīng)順序排列的。

　　科學(xué)家想知道，在早期地球上，當(dāng)?shù)谝慌�生命開(kāi)始進(jìn)化之時(shí)，轉(zhuǎn)運(yùn)RNA所起的作用是如何產(chǎn)生的？

　　這個(gè)問(wèn)題其實(shí)涉及到生命早期進(jìn)化研究中的一個(gè)長(zhǎng)期存在的“先有雞還是先有蛋”的問(wèn)題：基因信息的轉(zhuǎn)錄需要蛋白質(zhì)，但蛋白質(zhì)的合成依賴(lài)于基因信息的轉(zhuǎn)錄，那么究竟是先有制造蛋白質(zhì)所需的DNA序列，還是先有轉(zhuǎn)錄和翻譯DNA所需的蛋白質(zhì)？

　　現(xiàn)在，慕尼黑大學(xué)的一組研究人員發(fā)表了一項(xiàng)新的研究，為如何解決這個(gè)難題提供了新的見(jiàn)解。

　　作為生命進(jìn)化的早期過(guò)程，復(fù)制和翻譯與其他過(guò)程一樣，并不是一蹴而就的，它們是進(jìn)化過(guò)程積累的結(jié)果。在其發(fā)展過(guò)程中，一些基本現(xiàn)象，比如自復(fù)制、自催化、自組織和分室化等可能都發(fā)揮了重要作用。通常來(lái)說(shuō)，這些物理和化學(xué)過(guò)程完全受環(huán)境中的非平衡條件所驅(qū)使，比如溫度變化等。

　　包含了遺傳信息的轉(zhuǎn)運(yùn)RNA是生物圈中最古老的分子之一。在新研究中，幾位生物物理學(xué)家對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)RNA的遺傳密碼進(jìn)行了微小改動(dòng)，他們使用了一組以現(xiàn)代轉(zhuǎn)錄RNA的特征形式為模型的互補(bǔ)DNA鏈，每個(gè)都含有兩個(gè)“發(fā)夾”結(jié)構(gòu)。所謂發(fā)夾，是一種可部分自我互補(bǔ)配對(duì)形成的細(xì)長(zhǎng)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

　　在對(duì)它們的序列進(jìn)行測(cè)試后，研究人員發(fā)現(xiàn)在外部溫度條件發(fā)生了變化的情況下，這些有著微小突變的“早期”形式的轉(zhuǎn)運(yùn)RNA可以自主地發(fā)生相互作用，自我組裝成能夠復(fù)制存儲(chǔ)在其序列中的信息的復(fù)制因子。

　　溫度變化是通過(guò)四個(gè)過(guò)程驅(qū)使復(fù)制過(guò)程的：首先，通過(guò)快速冷卻，發(fā)夾會(huì)被激活形成閉合的構(gòu)象；接著，從分子池中提取到的互補(bǔ)的鏈會(huì)與模板鏈中信息匹配的部分配對(duì)；隨著時(shí)間的推移，鏈中的發(fā)夾的波動(dòng)能夠促進(jìn)與相鄰鏈的雜化，形成穩(wěn)定的主干；再接著，當(dāng)溫度在短時(shí)間內(nèi)陡然升高，那么模板鏈就會(huì)與新形成的復(fù)制因子分離，二者都可以在下一輪復(fù)制中作為模板鏈存在。

　　發(fā)夾結(jié)構(gòu)能有助于基因鏈與相鄰鏈雜化。| 圖片來(lái)源：A.Kühnlein et。 al。 / eLife

　　也就是說(shuō)，這樣的系統(tǒng)可以通過(guò)互補(bǔ)配對(duì)形成復(fù)合體。根據(jù)配對(duì)模式，8個(gè)這樣的復(fù)制因子復(fù)合在一起能夠編碼4位二進(jìn)制代碼，實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)的信息復(fù)制能力。這是一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)，它表明復(fù)制機(jī)制非常能夠抵抗由于錯(cuò)誤積累而導(dǎo)致的系統(tǒng)崩潰。復(fù)制因子復(fù)合體本身的結(jié)構(gòu)與現(xiàn)代轉(zhuǎn)運(yùn)RNA相似，這一事實(shí)表明，在轉(zhuǎn)運(yùn)RNA分子承擔(dān)其現(xiàn)代作用，將信使RNA序列翻譯成蛋白質(zhì)之前，早期的轉(zhuǎn)運(yùn)RNA就可能已經(jīng)參與了分子復(fù)制過(guò)程。

　　研究人員表示，在生命的早期進(jìn)化中，作為復(fù)制和翻譯之間的聯(lián)系，轉(zhuǎn)運(yùn)RNA可以為“先有雞還是先有蛋”問(wèn)題提供一個(gè)解決方案，它證明了信息的復(fù)制可以?xún)H通過(guò)類(lèi)轉(zhuǎn)運(yùn)RNA分子之間的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)，這個(gè)過(guò)程是由外部的非平衡物理環(huán)境所驅(qū)動(dòng)的，比如實(shí)驗(yàn)中的熱振蕩，它不依賴(lài)于特定的酶或催化，僅僅需要依靠序列互補(bǔ)就能做到。

　　這些實(shí)驗(yàn)加深了生物學(xué)家對(duì)早期生命起源的理解，闡明了轉(zhuǎn)運(yùn)RNA在被用于翻譯之前所起的作用，同時(shí)也讓生物化學(xué)家離在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造出能自我復(fù)制的分子機(jī)器的目標(biāo)又近了一步。

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