文章來源：原理

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

　　DNA中儲存著的遺傳信息包含了制造生物體發(fā)育、生長和生存所必須的所有蛋白質(zhì)的指令，通過復(fù)制過程，蛋白質(zhì)能夠?qū)�這些編碼在DNA分子中的遺傳信息進行復(fù)制，然后在細胞分裂時，將這些信息均勻地分配到兩個子細胞中。接著，這些信息會被有選擇地“轉(zhuǎn)錄”成信使RNA（mRNA）分子，信使RNA會被“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)的過程中，有一類起著核心作用的RNA——轉(zhuǎn)運RNA（tRNA）。轉(zhuǎn)運RNA在這個過程中負責(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?shù)谝慌�生命開始進化之時，轉(zhuǎn)運RNA所起的作用是如何產(chǎn)生的？

　　這個問題其實涉及到生命早期進化研究中的一個長期存在的“先有雞還是先有蛋”的問題：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)表了一項新的研究，為如何解決這個難題提供了新的見解。

　　作為生命進化的早期過程，復(fù)制和翻譯與其他過程一樣，并不是一蹴而就的，它們是進化過程積累的結(jié)果。在其發(fā)展過程中，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。通常來說，這些物理和化學(xué)過程完全受環(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)家對轉(zhuǎn)運RNA的遺傳密碼進行了微小改動，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DNA鏈，每個都含有兩個“發(fā)夾”結(jié)構(gòu)。所謂發(fā)夾，是一種可部分自我互補配對形成的細長的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

　　在對它們的序列進行測試后，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)制存儲在其序列中的信息的復(fù)制因子。

　　溫度變化是通過四個過程驅(qū)使復(fù)制過程的：首先，通過快速冷卻，發(fā)夾會被激活形成閉合的構(gòu)象；接著，從分子池中提取到的互補的鏈會與模板鏈中信息匹配的部分配對；隨著時間的推移，鏈中的發(fā)夾的波動能夠促進與相鄰鏈的雜化，形成穩(wěn)定的主干；再接著，當溫度在短時間內(nèi)陡然升高，那么模板鏈就會與新形成的復(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。| 圖片來源：A.Kühnlein et。 al。 / eLife

　　也就是說，這樣的系統(tǒng)可以通過互補配對形成復(fù)合體。根據(jù)配對模式，8個這樣的復(fù)制因子復(fù)合在一起能夠編碼4位二進制代碼，實現(xiàn)指數(shù)級的信息復(fù)制能力。這是一個重要發(fā)現(xiàn)，它表明復(fù)制機制非常能夠抵抗由于錯誤積累而導(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RNA相似，這一事實表明，在轉(zhuǎn)運RNA分子承擔其現(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RNA就可能已經(jīng)參與了分子復(fù)制過程。

　　研究人員表示，在生命的早期進化中，作為復(fù)制和翻譯之間的聯(lián)系，轉(zhuǎn)運RNA可以為“先有雞還是先有蛋”問題提供一個解決方案，它證明了信息的復(fù)制可以僅通過類轉(zhuǎn)運RNA分子之間的相互作用來實現(xiàn)，這個過程是由外部的非平衡物理環(huán)境所驅(qū)動的，比如實驗中的熱振蕩，它不依賴于特定的酶或催化，僅僅需要依靠序列互補就能做到。

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

本文地址：http://www.huqihwy.cn/info/2021/03/1113185811.html