科學(xué)家在試管中讓RNA分子演化成一個微小的生態(tài)系統(tǒng)

這項(xiàng)研究的論文第一作者、東京大學(xué)的項(xiàng)目助理教授Ryo Mizuuchi指出，在數(shù)百小時的復(fù)制過程中，一種單一類型的RNA進(jìn)化成了五個不同的分子“物種”或宿主和寄生蟲的世系，它們和諧共存、合作生存并就像一個“分子版的生態(tài)系統(tǒng)”的開始。

他們的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了以前的理論發(fā)現(xiàn)，即具有復(fù)制手段的分子可以通過達(dá)爾文進(jìn)化自發(fā)地發(fā)展出復(fù)雜性，“這是生命出現(xiàn)的關(guān)鍵步驟，”研究人員寫道。

Mizuuchi說道：“我們可以提供直接的證據(jù)；我們可以看到當(dāng)一個復(fù)制的分子在試管中復(fù)雜化時實(shí)際上會發(fā)生什么。”

沒有參與這項(xiàng)研究的荷蘭格羅寧根大學(xué)系統(tǒng)化學(xué)教授Sijbren Otto表示，這是朝著在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)化出一個復(fù)雜的復(fù)制者網(wǎng)絡(luò)邁出的第一步，也可能是最重要的一步，“有了這里展示的東西，未來的道路變得更加清晰，人們變得更加樂觀并認(rèn)為這實(shí)際上可以成功。”

來自倫敦大學(xué)學(xué)院的計(jì)算生物學(xué)家Joana Xavier稱贊Mizuuchi和他的同事的工作是一個偉大的概念證明，其展示了一個最小的系統(tǒng)是如何能夠復(fù)雜化的。

Spiegelman的怪物的產(chǎn)兒

新實(shí)驗(yàn)的根源可以追溯到20世紀(jì)60年代，當(dāng)時分子生物學(xué)家Sol Spiegelman在他的實(shí)驗(yàn)室里創(chuàng)造了他稱之為“小怪物”的東西。盡管這個標(biāo)簽有弗蘭肯斯坦的影子，但他的小怪物不是綠色的、方眉的、咆哮的--甚至是沒有生命的。它是一種合成分子，從而可以在試管中充滿自己的副本。

Spiegelman的怪物是一條基于病毒基因組的RNA變異鏈。這位生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，只要在有核苷酸構(gòu)件和一種叫做復(fù)制酶的聚合酶的情況下加熱和混合他就可以無限期地復(fù)制它。然而，他很快意識到，他的分子隨著時間的推移變得越來越小。脫離了不必要的基因的副本復(fù)制得更快，這提高了它們在樣品中被收集并轉(zhuǎn)移到新試管中進(jìn)一步復(fù)制的機(jī)會。就像生物物種一樣，他的分子在自然選擇的壓力下開始變異和進(jìn)化，從而可以在它們的玻璃世界中更好地生存。

這些研究是世界上第一個在分子水平上展示達(dá)爾文進(jìn)化論的實(shí)驗(yàn)--“通過自然選擇的進(jìn)化，適者生存”，美國國家衛(wèi)生研究院國家生物技術(shù)信息中心的杰出調(diào)查員Eugene Koonin說道，“在那些條件下，適者生存僅僅意味著最快的復(fù)制。”

Spiegelman的工作激發(fā)了數(shù)十年的進(jìn)一步研究，其中大部分是關(guān)于生命起源的基礎(chǔ)性研究，另外還為RNA世界假說提供了燃料，即生命源于自我復(fù)制的RNA分子。但這些研究沒有回答一個關(guān)鍵問題。一個單一的分子復(fù)制器能否演變成一個由多個復(fù)制器組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)？

大概十年前，當(dāng)Norikazu Ichihashi還是日本大阪大學(xué)生物信息工程的副教授時他就開始通過調(diào)整Spiegelman的試管世界來了解答案。“我們試圖把我們的系統(tǒng)開發(fā)得更逼真一點(diǎn)，”Ichihashi說道。

對此，Ichihashi和他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種編碼復(fù)制酶的RNA分子，它可以制作RNA的副本。但為了使分子能翻譯自己的代碼，科學(xué)家們需要增加一些東西：核糖體和其他基因翻譯機(jī)器，他們從普通的腸道細(xì)菌大腸桿菌那里借來的。他們將這些機(jī)器嵌入液滴中并將它們加入到RNA和原料的混合物中。然后是多年乏味的混合和等待。

他們的長期實(shí)驗(yàn)包括在37攝氏度下孵化其復(fù)制系統(tǒng)、添加帶有新鮮翻譯系統(tǒng)的新液滴并攪拌混合物以誘導(dǎo)復(fù)制。每隔幾天左右，他們就對試管中的RNA濃度進(jìn)行分析，另外每隔一周左右他們就從最新的混合物中冷凍樣品。每隔半年左右，他們對收集到的大批量樣本進(jìn)行測序以查看RNA是否獲得了新的突變并進(jìn)化成一個新的世系。

試管中的進(jìn)化

經(jīng)過215個小時和43輪的復(fù)制，研究人員開始看到有趣的結(jié)果，他們在2016年的《Proceedings of the National Academy of Sciences》上報告了這些結(jié)果。原始的RNA已經(jīng)被另外兩種RNA的世系所取代。其中一個被研究人員描述為“宿主”，其可以使用自己的復(fù)制酶來復(fù)制自己，就像原來的分子一樣。另一個世系，一個“寄生蟲”則需要借用宿主的基因表達(dá)機(jī)制。

當(dāng)Ichihashi和他的同事將實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展到600小時內(nèi)的120輪復(fù)制時，他們發(fā)現(xiàn)宿主系已經(jīng)分裂成兩個獨(dú)立的宿主系，而其中一個宿主已經(jīng)進(jìn)化出兩個不同的寄生蟲。但不僅僅是世系的數(shù)量增加了，它們之間的互動的復(fù)雜性也增加了。宿主獲得了干擾寄生蟲劫持其復(fù)制資源能力的突變--但寄生蟲也發(fā)展了作為防御這些障礙的突變。宿主和寄生蟲似乎在共同進(jìn)化。

科學(xué)家們在2020年的《eLife》上報告稱，寄生蟲和宿主的種群在“進(jìn)化軍備競賽”中爭奪領(lǐng)域時發(fā)生了巨大波動。每個RNA譜系都短暫地上升到主導(dǎo)地位，然后被另一個譜系奪走。現(xiàn)在是東京大學(xué)教授的Ichihashi說道：“如果一個世系占優(yōu)勢，那么另一個世系就會下降。”

但研究人員繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，直到第130輪時，另一個宿主已經(jīng)進(jìn)化出來。到了第160輪，其中一個寄生蟲消失了；幾輪之后，另一個寄生蟲出現(xiàn)了。到了第190輪，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個新的驚喜。每個世系的種群的巨大動態(tài)波動已經(jīng)開始讓位于較小的波動。這種穩(wěn)定表明，這些世系不再是競爭性的復(fù)制。相反，它們已經(jīng)開始作為一個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互動并在一種準(zhǔn)穩(wěn)定的共存狀態(tài)下進(jìn)行合作。

Mizuuchi和Ichihashi（當(dāng)時是一橋?qū)嶒?yàn)室的博士生，現(xiàn)在是東京大學(xué)的研究員）一起做了這些實(shí)驗(yàn)，他們對這些發(fā)現(xiàn)感到震驚并在3月的《Nature Communications》上做了報告。Mizuuchi指出，它們只是“單純的分子，這是非常出乎意料的”。

合作的寄生蟲做他們的工作

Koonin同意他們的發(fā)現(xiàn)是引人注目的。他表示，他們的實(shí)驗(yàn)裝置更加精細(xì)、更加實(shí)際、結(jié)果也更加復(fù)雜和豐富，但其可以跟Spiegelman完全兼容。研究人員觀察了單一類型的分子在自然選擇下的復(fù)制和收集突變--但隨后更進(jìn)一步，讓不同的分子在彼此的影響下進(jìn)化成一個群體，就像活細(xì)胞、動物或人的群體一樣。在這個過程中，研究人員探索了一些規(guī)則，這些規(guī)則決定了這種復(fù)雜的群體要成為穩(wěn)定和持久的群體。

其中一些結(jié)果證實(shí)了早期關(guān)于復(fù)雜性如何在病毒、細(xì)菌和真核生物中產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)研究的預(yù)測及一些理論工作。如Koonin實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)研究還顯示，寄生蟲在復(fù)雜性的出現(xiàn)中是不可避免的。

“如果沒有寄生蟲，這種程度的多樣化可能是不可能的。寄生蟲和它們的宿主互相施加的進(jìn)化壓力導(dǎo)致雙方分裂成新的世系，”Mizuuchi說道。

出現(xiàn)的一個更令人驚訝的基本原則是合作的關(guān)鍵作用。這五個世系屬于不同的小型合作網(wǎng)絡(luò)，而且有些世系比其他世系更有合作性。

Xavier表示，科學(xué)家們長期以來一直專注于研究進(jìn)化中的競爭，以至于合作的作用有點(diǎn)被忽略了。“我認(rèn)為合作也將開始發(fā)揮重要作用，特別是在起源方面，因?yàn)橛羞@么多東西必須以正確的方式結(jié)合在一起。”

在Ichihashi、Mizuuchi和他們的同事觀察到的系統(tǒng)中，RNA之間的合作完全集中在復(fù)制上。但研究人員希望，通過調(diào)整試管內(nèi)的自然選擇標(biāo)準(zhǔn)將有可能迫使RNA也進(jìn)化出完全不同的功能，如代謝功能。

不同的命運(yùn)

加州大學(xué)圣克魯茲分校生物分子工程研究教授David Deamer指出：“科學(xué)家們喜歡互相娛樂，而最好的娛樂是一個驚喜。”他認(rèn)為這是一篇好的論文，但他指出，在實(shí)驗(yàn)室里發(fā)生的事情可能不會轉(zhuǎn)化為在生命的黎明發(fā)生的事情。

事實(shí)上，Ichihashi實(shí)驗(yàn)室中的情景不可能反映出生命開始時的情況，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)依賴于大腸桿菌的翻譯機(jī)器。“生命起源的典型問題是蛋白質(zhì)合成本身是如何開始的，”北卡羅來納大學(xué)醫(yī)學(xué)院的生物化學(xué)和生物物理學(xué)教授Charlie Carter說道。

不過Koonin認(rèn)為，如果研究人員找到了一種使用真正的自我復(fù)制的分子系統(tǒng)來進(jìn)化復(fù)雜性的方法，他們將看到跟論文中描述的網(wǎng)絡(luò)非常相似的東西。“它們至少很好地說明了在生命起源中可能發(fā)生的過程類型，”Koonin說道。

對Otto來說，這項(xiàng)研究表明，一旦解決了這種復(fù)雜程度的分子的精確復(fù)制問題，它們將進(jìn)一步復(fù)雜化。他指出，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)沒有向人們展示是如何到達(dá)那里的，但一旦在這個階段到達(dá)那里它確實(shí)描繪了未來的道路。

Ichihashi和他的同事繼續(xù)研究以此來想看看他們是否能在一個單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)中重新創(chuàng)建同樣的可持續(xù)網(wǎng)絡(luò)，為此他們提取了五個系的樣本。然而這一次，他們發(fā)現(xiàn)，雖然其中四個世系繼續(xù)復(fù)制并生存了至少22輪，但第五個世系卻消失了。“我不知道為什么，這是一個非常奇怪的點(diǎn)，”Ichihashi說道。

一種可能性是，該系統(tǒng)甚至比研究人員想象的還要復(fù)雜，當(dāng)分離出這五個世系時，其錯過了對消失的世系的生存至關(guān)重要的第六個世系。通過理論模型，Ichihashi的研究小組證實(shí)，剩下的四個世系可以可持續(xù)地、相互依賴地進(jìn)行復(fù)制，并且敲除這四個世系中的任何一個都會導(dǎo)致其他世系中至少一個的滅絕。此外，他們的模擬還指出了一個反常的發(fā)現(xiàn)，即打掉其中一個寄生蟲將導(dǎo)致其宿主的滅絕。

與此同時，研究人員繼續(xù)進(jìn)行他們的主要試管實(shí)驗(yàn)并在等待觀察他們的網(wǎng)絡(luò)是否會進(jìn)一步復(fù)雜化。另外，他們還已經(jīng)開始了類似的實(shí)驗(yàn)，他們使用的是DNA而不是RNA。

Ichihashi說道：“我們觀察到的只是這些分子復(fù)制者社區(qū)如何演變的開始。我認(rèn)為它們在未來會有不同的命運(yùn)--我們無法預(yù)測會發(fā)生什么。”