RNA装配的自发性协助可揭示生命起源
地球的生命起源一直是个重大的不解之谜。一项新研究提出，初始化学物质转化为生命物质是分子间相互协作的结果。从狼群狩猎，到细胞发挥功能，生命的各个层面都离不开协作。在17日Nature网站上发表的文章中，Vaidya等人展示了RNA装配的自发性协作网络，提出生命起源于分子间的自发协作。文章主要对三个RNA片段的协作环路进行了详细描述，数据显示可能还存在更大的协作网络。
现代生物的分子构架有明确的分工：核酸分子DNA和RNA主要负责遗传信息储存和处理，蛋白则负责结构和代谢。而地球早期的原始生命缺乏DNA和蛋白，只依赖RNA进行遗传和代谢。当时“RNA世界”的基石就是RNA分子的自我复制，这包括发生突变并向更有效的复制演化。
这些自我复制的RNA堪称原始版的自私基因，它们又是如何在早期地球上出现的呢？近来已有研究展示了核苷酸累积并聚合成为短链RNA的过程，的确，即使是非常短的RNA也能执行化学反应。但自我复制所需的有酶功能的RNA片段更长更复杂，这样的片段又是在何时以怎样的形式产生的呢？这就陷入了先有鸡还是先有蛋的悖论。
Vaidya及其同事所提出的策略，恰好能回答上述问题。这项研究的基础是一个30年前提出的理论，该理论认为自我复制的RNA除了单纯复制自身以外，还会通过超循环hypercycles对其他复制子起作用。研究人员发现固氮弧菌Azoarcus的核酶在被片段化后可以自我组装。而且如果使这些RNA片段发生突变，那么突变片段不仅可以组装，还会彼此作用形成协调的组装环路，就像理论中的超循环一样。
关键是，参与协作环路的RNA更有优势，使其能够胜过单纯的自我复制循环。研究显示，协作可以使四个不同RNA片段装配成为更长的核酶，即小RNA分子能够通过协作形成长而复杂的RNA分子。
那么早期地球上的随机RNA链是怎样形成协作网络的呢？在目前这项研究中，所有的RNA链都来自于固氮弧菌核酶的加工片段。这就引出了两个问题，如果固氮弧菌核酶片段上的突变太多是否会影响到RNA的组装，另外如果存在许多不相关甚至相互干扰的RNA片段能否依然形成RNA协作网络。
地球生命起源的确切分子事件也许已经遗失在历史的长河中，不过科学能够通过模拟再现古代分子，分析非生命物质向生命物质转化的可能途径。Vaidya及其同事的研究展现了生命起源时期的分子协作，这一机制告诉我们也许地球上的第一个基因并非那么自私。至于协作网络如何产生，该网络带来的复杂性是否一定使复制更有效，这些问题还有待进一步的深入研究。
Spontaneous network formation among cooperative RNA replicators
The origins of life on Earth required the establishment of self-replicating chemical systems capable of maintaining and evolving biological information. In an RNA world, single self-replicating RNAs would have faced the extreme challenge of possessing a mutation rate low enough both to sustain their own information and to compete successfully against molecular parasites with limited evolvability. Thus theoretical analyses suggest that networks of interacting molecules were more likely to develop and sustain life-like behaviour. Here we show that mixtures of RNA fragments that self-assemble into self-replicating ribozymes spontaneously form cooperative catalytic cycles and networks. We find that a specific three-membered network has highly cooperative growth dynamics. When such cooperative networks are competed directly against selfish autocatalytic cycles, the former grow faster, indicating an intrinsic ability of RNA populations to evolve greater complexity through cooperation. We can observe the evolvability of networks through in vitro selection. Our experiments highlight the advantages of cooperative behaviour even at the molecular stages of nascent life.
文献链接：Spontaneous network formation among cooperative RNA replicators
