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「脑Q」是DT君系列新栏目中的又一成员，旨在报道最新的科学发现和技术发明，挑战脑力的底线。 在对生命起源这一宏大命题的研究中， 始终涉及三种不同类型的生物大分子：RNA、DNA和蛋白质。 对生命形成来说，三者似乎是一个缺一不可的完整体系。 1986年，诺奖得主沃特·吉尔博特提出“RNA世界假说”， 认为RNA可能是最早出现的生物大分子， 但科学家们却一直无法合成出这种兼备DNA和蛋白质功能的高效RNA。 直到最近， 科学家们终于在实验室里合成了一种叫做“核糖聚合酶24-3”的RNA分子， 它能对其他种类繁多的RNA分子进行复制， 为“RNA世界假说”提供了新的支持。 ... 地球上出现的首个生物大分子是什么，一直是关于生命起源的最大的谜团之一。如今的细胞使用复杂的生物合成机制来制造DNA、RNA及蛋白等生物大分子。那么，在细胞出现前的原始生命又是什么样子的呢？ 电影《普罗米修斯》 一种称为“RNA世界假说”（RNA world hypothesis）的理论认为，RNA就是最初的生物大分子。RNA具有生物分子的两种基本功能： 1）编码信息（DNA的功能） 2）催化生物反应（蛋白质的功能） 生命起源之谜：“RNA世界假说”*认为，地球上早期的生物大分子以RNA形态最先出现，之后才有蛋白质和DNA。且这些早期的RNA分子同时拥有DNA的遗传讯息储存功能，以及蛋白质的催化能力，支持了早期的细胞或前细胞生命的运作。 也许，生命开始于能够进行自我复制，并将自身的遗传信息传递给下一代的RNA分子或类RNA分子。 *上世纪八十年代初，美国科学家托马斯·切赫（Thomas R. Cech）和西德尼·奥尔特（Sidney Altman）发现了RNA也是一种生物催化剂，称为RNA酶或者核酶，并因此荣获1986年诺贝尔化学奖。 同年，1980年诺贝尔化学奖得主沃特·吉尔伯特（Walter Gilbert）因此提出了著名的“RNA世界假说”，一跃成为当前主流的生命起源理论。 然而，“RNA世界理论”最大的问题在于，科学家始终无法在实验室合成出符合之前提到的这两项功能的高效RNA分子。 自二十世纪九十年代以来，科学家们已能够合成RNA酶或酶性核酸，但这些分子并不能根据RNA模板复制出一模一样的RNA分子*。此外，已有的RNA酶也无法合成复杂的RNA分子。 *在正常情况下，科学家合成RNA核酶分子，只能对已知的RNA靶链进行互补复制。例如，将碱基序列为AACU的RNA靶链复制为互补的UUGA碱基序列的RNA互补链。 而真正的分子复制需要两个步骤：从原始链AACU到互补链UUGA，再次进行互补复制，得到与原始链序列相同的AACU复制链。 近日，科学家首次合成了可以构建各类RNA序列的RNA酶，可复制的序列长度高达24位。更重要的是，该聚合核糖酶实现了真正的RNA“复制”，而不是一般情况下的“互补复制”。这是前所未有的突破。 加州拉荷亚斯克里普斯研究所研究员大卫·霍宁（David Horning）和杰拉德·乔伊斯（Gerald Joyce）共同于上月在《 Proceedings of the National Academy of Sciences》中发表了相关的论文。 为了制造它，科学家们先对现有的核糖酶序列进行随机诱变，制造了数以亿计的不同版本的核糖酶。 然后，他们用实验进化法（experimental evolution）对核糖酶进行了筛选：科学家们以两种复杂的RNA分子作为“标准”，只选取能够制造出这两种“标准分子”的核糖酶版本；接着，他们把筛选出的核糖酶版本再次进行诱变和筛选。 如此重复20多次，最终获得了聚合核糖酶24-3。 聚合核糖酶24-3的效率非常惊人——除了测试用的两种“标准”RNA分子外，它还能够复制多种其他的复杂RNA序列。此外，在复制简单的RNA分子方面，比“老版本”的核糖酶更为有效。 而最大的亮点，当然是聚合核糖酶24-3的“准确复制”能力，这要比普通的RNA制造困难得多更困难。 由于RNA复制的机制相对复杂，其他大多数核糖酶只能正确复制具有特定模式的RNA序列，而核糖酶24-3则几乎是一款“通用型”。 当然，核糖酶24-3并非完美无缺，最明显的一点就是它能够复制其他的RNA分子，但不能自我复制。 佛罗里达州阿拉楚阿应用分子进化基金会（Foundationfor Applied Molecular Evolution）生物化学家Steven Benner认为，尽管有缺陷，核糖酶24-3仍是证明“RNA世界”理论的重要一步。 目前的研究成果离揭开生命起源的奥秘还有很长的距离。科学家们在之前花了25年才找到核糖酶24-3这么一个能够“复制其他RNA”功能的RNA分子。 前面的路还很长，研究团队仍在不断改善核糖酶24-3，以期获得能够实现其“自我复制”的能力。 参考： [1] Lincoln, T.A. and G.F.Joyce, Self-Sustained Replication of an RNA Enzyme. Science, 2009. 323(5918):p. 1229-1232. [2] Horning, D.P. andG.F. Joyce, Amplification of RNA by an RNA polymerase ribozyme. Proceedings ofthe National Academy of Sciences, 2016. [3] Sczepanski, J.T. andG.F. Joyce, A cross-chiral RNA polymerase ribozyme. Nature, 2014. 515(7527): p.440-442. |
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