看RNA分子演化的力量科學(xué)家在試管中讓RNA分子演化成一個微小的生態(tài)系統(tǒng)科科工的殿堂05-08經(jīng)過一個對生命起源研究具有誘人意義的漫長實驗，來自日本的一個研究小組報告稱，他們創(chuàng)造了一個由分子組成的試管世界，這些分子自發(fā)地演化出復(fù)雜性并且令人驚訝地演化出合作。這項研究的論文第一作者、東京大學(xué)的項目助理教授RyoMizuuchi指出，在數(shù)百小時的復(fù)制過程中，一種單一類型的RNA進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。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)移到新試管中進一步復(fù)制的機會。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爾文進化論的實驗--“通過自然選擇的進化，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EugeneKoonin說道，“在那些條件下，適者生存僅僅意味著最快的復(fù)制?！盨piegelman的工作激發(fā)了數(shù)十年的進一步研究，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)NorikazuIchihashi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?！拔覀冊噲D把我們的系統(tǒng)開發(fā)得更逼真一點，”Ichihashi說道。對此，Ichihashi和他的團隊開發(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。他們的長期實驗包括在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行測序以查看RNA是否獲得了新的突變并進化成一個新的世系。試管中的進化經(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《ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences》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機制。當(dāng)Ichihashi和他的同事將實驗擴展到600小時內(nèi)的120輪復(fù)制時，他們發(fā)現(xiàn)宿主系已經(jīng)分裂成兩個獨立的宿主系，而其中一個宿主已經(jīng)進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化?？茖W(xué)家們在2020年的《eLife》上報告稱，寄生蟲和宿主的種群在“進化軍備競賽”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)進行實驗，直到第130輪時，另一個宿主已經(jīng)進化出來。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)進行互動并在一種準(zhǔn)穩(wěn)定的共存狀態(tài)下進行合作。Mizuuchi和Ichihashi（當(dāng)時是一橋?qū)嶒炇业牟┦可?，現(xiàn)在是東京大學(xué)的研究員）一起做了這些實驗，他們對這些發(fā)現(xiàn)感到震驚并在3月的《NatureCommunications》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，他們的實驗裝置更加精細(xì)、更加實際、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--但隨后更進一步，讓不同的分子在彼此的影響下進化成一個群體，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。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的實驗中重新創(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?！拔也恢罏槭裁矗@是一個非常奇怪的點，”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，剩下的四個世系可以可持續(xù)地、相互依賴地進行復(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)進行他們的主要試管實驗并在等待觀察他們的網(wǎng)絡(luò)是否會進一步復(fù)雜化。另外，他們還已經(jīng)開始了類似的實驗，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