财新传媒
位置:博客 > 返朴 > 生命的关键一步:试管中的RNA,自发演化成微型生态系统

生命的关键一步:试管中的RNA,自发演化成微型生态系统

在生命初始之时,简单的分子网络以某种方式开始演化,逐渐变得多样复杂。这一切是如何发生的呢?通过观察试管中 RNA 分子的演化,研究人员认为自己找到了可能的线索:他们构建出一种具有复制能力的 RNA 分子,随着时间推移,这些分子演化成一个包含“宿主”与“寄生物”的复杂网络,为了生存彼此竞争,也相互合作。

 

撰文 | Yasemin Saplakoglu

翻译 | 郭瑞东

审校 | 赵雨亭、梁金

 

1. RNA分子自发演化出复杂性

日本科学家进行了一项对生命起源研究具有诱人意义的漫长实验,研究人员创造了一个由分子组成的试管世界,这些分子自发地演化出了复杂性——更令人惊讶的是,也同时演化出了合作。 这项研究的主要作者、东京大学助理教授 Ryo Mizuuchi 表示,经过数百个小时的复制,一种 RNA 演化成了五种不同的分子种类,包含宿主和寄生者,它们和谐共存,合作共生,就像一个“分子版本的生态系统”的起始。 

Ryo Mizuuchi 实验室:https://oolen.org/2020/12/22/ryo-mizuuchi/

 他们的实验证实了先前的理论发现,表明具有复制能力的分子可以通过达尔文演化自发地发展出复杂性,这是生命出现的关键一步。“我们可以提供直接的证据,可以看到当一个分子在试管中变得更复杂时,实际上会发生什么”,Mizuuchi 表示。 

这是在实验室中演化产生复制因子(replicators)组成的复杂网络的第一步,也可能是最重要的一步,格罗宁根大学系统化学教授 Sijbren Otto 表示。“有了该研究所展示的结果,前方的道路变得更加清晰,人们对RNA分子自演化能够真正实现变得更加乐观。”伦敦大学学院的计算生物学家 Joana Xavier 称赞这项工作为对一个最小系统如何变得复杂的“伟大的概念证明”。她表示,这是“一个非常重大的进展”。 

 

2. 从斯皮尔曼妖说起

新实验的根源可以追溯到20世纪60年代,当时分子生物学家斯皮尔曼(Sol Spiegelman)在实验室里创造了他所谓的“小妖怪”。尽管这个名字有《弗兰肯斯坦》的暗示,但他的小妖怪并不是绿色、方眉且咆哮的,甚至不是活物——它是一种合成分子,在试管中自我复制。 

图1. 20世纪60年代,分子生物学家(Sol Spiegelman)使用一种他称之为“小妖怪”的不断演化的病毒RNA链,首次在分子水平上论证了达尔文的自然演化理论。| 来源:The National Library of Medicine/National Institutes of Health

 斯皮尔曼妖是一个基于病毒基因组的变异 RNA。这位生物学家发现,可以通过简单的加热和混合,在核苷酸构建块和一种叫做复制酶的聚合酶的存在下,无限复制它。然而,他很快意识到,随着时间推移,他的分子变得越来越小:去除不必要基因的复制品复制得更快,这增加了它们被收集到样本中并转移到新试管中进行进一步复制的机会。就像现存物种一样,他的分子在自然选择压力下开始变异和演化,以便更好地在它们的玻璃世界中生存。 这些研究是世界上首次在分子水平上对达尔文演化论——自然选择式的演化,适者生存——给出实验性证明,美国国家卫生研究院兼美国国家生物技术信息中心的杰出研究员 EugeneKoonin  表示,“在这种情况下,适者生存意味着最快的复制。” 

Spiegelman 的工作启发了持续数十年的进一步研究,其中大部分是关于生命起源的基础研究,并为生命起源于自复制 RNA 分子的 “RNA世界”假说提供了支持。但这些研究留下了一个关键问题:单个分子复制因子能否演变成由多个复制因子组成的复杂网络? 大约十年前,当 Norikazu Ichihashi 还是日本大坂大学生物信息工程副教授的时候,他开始改进 Spiegelman 的试管世界,将系统开发得更加接近真实环境,来寻找答案。 

Ichihashi 和团队开发了一种 RNA 分子,它可以编码一种复制酶,这种复制酶可以复制 RNA。但是为了让分子翻译自己的遗传密码,科学家需要添加更多东西:核糖体和其他基因翻译机器,这些都是从大肠杆菌中借过来的。研究人员将这些细胞器嵌入液滴中,并将其加入由 RNA 和原材料组成的混合物中。 

接下来就是数年单调乏味的混合和等待。 

他们的漫长实验包括在37℃(人体或炎热夏日的温度)培养复制系统,添加新的液滴与新鲜的翻译系统,并搅拌混合物以诱导复制。每隔几天,他们就分析试管中的 RNA 浓度,每隔一周,他们将最新混合物的样品冷冻起来。每隔半年左右,他们对大批采集的样本进行测序,以观察 RNA 是否获得了新突变并演化出新的谱系。

 

3. 试管中的演化

经过215小时共43轮的复制,研究人员开始看到有趣的结果,并将其于2016年发表在期刊 PNAS 上。最初的 RNA 已经被另外两个 RNA 谱系所取代。其中一个,研究人员称之为“宿主”,可以使用自己的复制酶来复制自己,就像原来的分子一样;另一个谱系被称之为“寄生者”,需要借用宿主的基因表达机制。 

论文题目:Host–parasite oscillation dynamics and evolution in a compartmentalized RNA replication system论文链接:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.1524404113

 当 Ichihashi 和同事将实验扩展到超过600小时、总计120轮复制时,他们发现原来的宿主谱系分裂成两个独立的宿主谱系,并且其中一个宿主演化出了两种截然不同的寄生物种。但是增加的不仅仅是谱系数量,它们之间相互作用的复杂性也在增加。这些宿主已经获得了一些突变,干扰寄生物种劫持其复制资源的能力——但寄生物种也演化出了一些突变,起到了抵御这些阻碍的作用。宿主和寄生物似乎是共同演化的。 2020年发表于 eLife 杂志的一篇论文指出,寄生物种和宿主在这场演化军备竞赛中,种群数量剧烈波动:每个 RNA 谱系的数量短暂地上升到支配地位,之后让位于另一个。“如果一个谱系占主导地位,那么另一个谱系就会减少,” 东京大学的 Ichihashi 教授表示。 

论文题目:Emergence and diversification of a host-parasite RNA ecosystem through Darwinian evolution论文地址:https://elifesciences.org/articles/56038

研究人员继续进行实验,到了第130回合,另一个宿主演化了;到了160回合,其中一个寄生物种消失;几轮之后,另一个寄生物种出现;到了190回合,研究人员又发现了一个新的惊喜:每个谱系种群的剧烈动态变化开始让位于较小的波动。这种稳定性表明,这些谱系的RNA不再为复制而竞争;相反,它们开始以网络的形式相互作用,并在准稳定(quasi-stable)的共存状态下合作。 

Mizuuchi 和 Ichihashi 对这些发现感到震惊,他们在2022年3月份的 Nature Communications 上发表了这些发现。他们和 Taro Furubayashi 一起尝试了这些实验,当时 Ichihashi 实验室参与这项工作的博士生 Taro Furubayashi,现在已经成为了东京大学的研究员。 

论文题目:Evolutionary transition from a single RNA replicator to a multiple replicator network论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-29113-x 图2. Ryo Mizuuchi,东京大学研究员、这项新研究的主要作者。这项工作展示了宿主和寄生物如何推动彼此演化。如果没有寄生物,这种程度的多样化或许是不可能的。| 来源:Ryo Mizuuchi

 

4. 合作的关键作用

Koonin 同意他们的发现是惊人的。他表示,“本轮实验装置更复杂、更真实,结果也更复杂和丰富,但是和 Spiegelman 实验得出的结论完全兼容”。他们观察了一种单一类型的分子在自然选择下复制和聚集突变,然后更进一步,让不同分子在彼此的影响下演化成一个群落——就像活细胞、动物或人的群落一样。在这个过程中,研究人员探索了让如此复杂的种群变得稳定和持久的规则。 

其中一些结果证实了早期实验性研究对关于病毒、细菌和真核生物复杂性如何产生的预测,以及一些理论工作。例如,Koonin 实验室的一项研究也表明,在复杂性的涌现中,寄生物种是必不可少的。“如果没有寄生物种,这种程度的多样化或许是不可能的,”Koonin 表示。寄生物种和它们的宿主彼此置于对方身上的演化压力导致双方分裂出新的谱系。 

论文题目:Inevitability of the emergence and persistence of genetic parasites caused by evolutionary instability of parasite-free states论文链接:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5715634/

 研究发现的一个更令人惊讶的基本原则是合作的关键作用。这五个谱系属于不同的小型合作网络,有些谱系比其他谱系更具合作性。例如,到了第228轮,三个宿主中的一个已经演化成一个“超级合作者”,可以复制自己和所有其他谱系;其他两个宿主可以各自复制自己和一个寄生物种。 

图3. 实验室中的RNA分子演化形成多样化的宿主和寄生物种,寄生物种依赖宿主的酶进行复制。

 Xavier 表示,长期以来,科学家们一直致力于研究演化中的竞争,以至于合作的作用“有点被忽视了”。他表示,“合作也将开始发挥重要作用,尤其是在生命起源上,因为有太多事情必须以正确的方式发挥作用,生命才会出现。” 在 Ichihashi 和同事们观察的系统中,RNA 之间的合作完全集中在复制。但研究人员希望,通过调整试管内的自然选择标准,有可能强制 RNA 演化出完全不同的功能——比如代谢。 

 

5. 有了RNA,演化就会为生命指明方向

加州大学圣克鲁兹分校生物分子工程研究教授 David Deamer 表示: “科学家们喜欢互相款待对方,最好的款待就是惊奇。”他肯定了该论文的工作,但同时也指出,在实验室里发生的事情可能不会等同于生命起源时的历史。 

实际上,Ichihashi 实验室的情况并不能反映生命起源时的情况,因为实验依赖于大肠杆菌的翻译机器。“关于生命起源最典型的问题是:蛋白质合成本身是如何开始的?”北卡罗来纳大学教堂山分校生物化学与生物物理学教授 Charlie Carter 说道。 

但是 Koonin 认为,如果研究人员能够找到一种方法,利用真正自复制的分子系统来演化复杂性,将会看到与论文中描述的网络非常相似的东西。“至少,他们漂亮地说明了可能发生在生命起源时的各种过程。” 

对 Otto 来说,这项结果表明,一旦研究人员解决了在这种复杂程度上精确复制分子的问题,它们就会进一步复杂化。他表示,这个实验“并不能告诉你生命最初是如何做到的,但是一旦有了RNA分子,演化就会为生命指明前进的方向。” Ichihashi 和同事们继续他们的工作,想看看是否能够在另一个实验中重建同样的可持续网络,所以他们提取了这五个谱系的样本。然而,这一次,他们发现,虽然其中四个谱系继续复制并存活了至少22轮,第五个谱系消失了。“我不知道为什么,这是一个非常奇怪的现象。”Ichihashi 表示。 

一种可能性是,这个系统比研究人员想象的更加复杂,当分离出这五种谱系时,他们漏掉了对于这个消失谱系的生存至关重要的第六个谱系。通过理论模型,Ichihashi 的团队证实了剩下的四个谱系可以持续和相互依存地复制,并且缺失四个谱系中的任何一个都会导致至少其他一个谱系的灭绝。他们的模拟还指出了一违反直觉的发现:消灭一种寄生物种将导致其宿主的灭绝。 

与此同时,研究人员继续进行他们主要的试管实验,并等待观察由RNA组成的微型生态系统网络是否会变得更加复杂。他们还用 DNA 代替 RNA 开始了类似实验。 

Ichihashi 表示,我们只是观察到这些分子复制因子群落如何演化的开端,“我认为这些RNA组成的微型生态系统在未来会有不同的命运,我们无法预测会发生什么。”特约评论评论员:仇玮祎(集智研究员)定向进化可以说是分子生物学中对达尔文自然选择原理的直接应用,生命起源的米勒实验及获得2018年诺贝尔化学奖的酶定向进化研究是其中最为大家熟知的典型。本文中介绍了以“斯皮尔曼妖”为起点的RNA定向进化研究的系列进展,研究人员在一系列长期的RNA群体进化试验中逐渐展示出“自复制-->催化网络-->生态网络”这样复杂度逐渐递增的趋势,并发现了与大的生态系统中同样存在的竞争、共生、寄生等复杂的群体演化策略,说明基于模版的编码序列本身就可以成为达尔文式演化的基础。 

这为“达尔文式自然选择到底是发生在个体、还是群体、还是基因之上”这个长期以来的重要生物学哲学议题又增添了一个新的选项。另外,这项研究还可以有一个有趣的解读视角:一个编码的网络中如何产生关系,而这种关系如何嵌入编码的符号体系中?这是语义与符号逻辑讨论的重要问题,也许本实验能够提供一个讨论这个问题的现实模型。 

最后,需要提醒读者注意的是,本文提到的系列实验需要复制酶的参与和表达,因此并不是纯粹的无酶RNA定向进化(Lam等在2009年首次实现无蛋白参与的RNA自复制体系, doi:10.1038/nbt.1528)。我们在“自生成结构读书会”的后续活动中,也将借助这个研究的话题讨论活系统自生成过程中“生命信息的分阶段生成”的过程,请大家拭目以待。

 

本文经授权转载自微信公众号“集智俱乐部”,翻译自  Quanta Magazine原文题目:In Test Tubes, RNA Molecules Evolve Into a Tiny Ecosystem原文链接:https://www.quantamagazine.org/in-test-tubes-rna-molecules-evolve-into-a-tiny-ecosystem-20220505/

 



推荐 0