科學家制造出可解釋生命起源之酶

圖片說明：分子結構（Stock圖片）。圖片來源：zhu difeng / Fotolia

 

通過在試管中模擬自然進化，Scripps研究所（Scripps Research Institute，TSRI）的科學家們設計出一種酶，它有著一個特有的屬性，該屬性可能在地球生命起源中起著關鍵性作用。

 

除了為生命起源提出了一種可能的路徑，這一成就還可能帶來一種強大工具，可以進化出新的有用分子。

 

Gerald F. Joyce是斯克裡普斯研究所（Scripps Research Institute，TSRI）化學、細胞與分子生物學系教授兼諾華研究基金會基因組學研究所（Genomics Institute of the Novartis Research Foundation）主任，他介紹說：「當我開始告訴人們這些的時候，他們有時會懷疑我們是否僅僅只是在暗示這樣一種酶的可能性，但事實並非如此，我們制造出了它。」 

 

Joyce是這一新報告的作者之一，報告先於印刷版在2014年10月29日Nature雜志網絡版上發表。

 

復制的難題

 

由於這種新酶是由核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）制造出的，所以被稱為核糖酶（ribozyme）。 現代以DNA為基礎的生命形式似乎由更簡單的「RNA世界」演變而來，許多科學家懷疑帶有酶的特性的RNA分子是地球上最初的自我復制子。

 

新的核糖酶主要以如下方式工作。它以原始的RNA鏈作為參考或「模板」，幫助同一條「復制」的RNA鏈結合在一起。然而，它並不是產生一個同其自身完全相同的分子拷貝。取而代之的是產生一個其自身的鏡像拷貝，如同左手在右邊一樣 ，反過來，「左手」的核糖酶能幫助產生原始分子的復制。

 

以前從未有人制造出這種「交叉手性」（cross-chiral）的酶。新研究驗證，這種酶可能出現在原始的RNA世界，這克服了生命起源中的一個關鍵障礙。 

 

地球的生物都以這種方式進化，在每一類分子中手性或偏手性成為主導復制方式。事實上，幾乎全部的RNA都是右手性，被稱為D-RNA。這種結構的統一使得同類分子間的互動更有效，如同握手時用的是兩只左手或兩只右手，而不是一左一右，這樣握起來更有效一樣。

 

Joyce說：「科學家一般都認為，互相作用的分子之間一定有一個共同的手性以保障生物體運轉。」

 

然而，看上去似乎簡單的RNA分子在原始的地球上有左手型和右手型兩種形式。除開這種推理，30年前Joyce還是研究生的時候，在Nature發表了一篇文章，文章指出，自我復制子如果那樣混合，那麼演變會很困難。獲得游離核苷酸（nucleotide）組成其自身的任一RNA鏈最終將合並相反手性的RNA核苷酸，這將阻斷這一復制過程的進一步組裝。

 

Joyce說：「自那時起我們都一直想知道，遠古的地球上RNA復制是如何開始進行的。」

 

減少限制

 

一種理論認為右手性的RNA酶是可以自我復制，也可以復制其它右手性RNA分子，而忽略了左手性的L-RNA。Joyce等人在實驗室中創造了這種核糖酶，發現RNA傾向於同其它RNA形成粘性鹼基對，這對多種細胞功能都是有用的特性。這一特性也妨礙了它復制其它RNA分子的能力。事實上，這些RNA復制核糖酶同部分RNA序列作用得很好，但不是所有的。

 

通用的RNA復制酶對於其操縱的RNA會有較少的控制。Joyce說：「這就是後來進化出的復制RNA和DNA的蛋白質酶工作的方式，因為它們不是核酸，所以它們不能同它們復制的核酸形成鹼基對。」

 

但是RNA酶在一個僅有RNA的原始世界是如何這樣工作的呢？

 

也許它只有作用於相反手性的RNA，這樣化學上禁止其形成連續的鹼基對。Joyce說：「我們開始思考，就像你只可以用另一只手同其他人握手，這感覺上有點古怪。」

 

試管中的進化

 

沒有人制造出或甚至試圖制造出一種作用於相反手性的RNA、以交叉手性方式工作的核糖酶。但在這個新研究中，Joyce實驗室的博士後人員Jonathan T. Sczepanski使用一種名為「試管進化」（test-tube evolution）的技術制作出了這樣的酶。

 

他從一種有大約千之五次方（1015）個短RNA分子的「湯」開始。這些分子的序列基本是隨機的，並且全都是右手性的。Sczepanski說：「我們這樣安排後，就可以從溶液中選出能夠催化同左手性RNA聯合反應的分子，繼而將之擴增。」

 

僅經過10輪這樣的選擇、擴增之後，研究者獲得了一個很好的候選核糖酶（candidate ribozyme）。接著他們擴大了其核心區的大小，通過另外六輪選擇，裁剪掉無用的核苷酸。結果得到一個83個核苷酸的核糖酶，它是唯一一個有著合適序列特異性的酶，確實能使左手性RNA測試片段同模板結合而且這較沒有酶輔助時要快大約一百萬倍。

 

該團隊還表明這一新核糖酶甚至可以在有同手性RNA核苷酸出現的情況下無障礙地工作。在最後一次實驗中，該新核糖酶成功地催化了11個RNA片段組裝成其對應的左手性核糖酶的一個完整拷貝，反之，該拷貝也能將右手性RNA片段連接起來。

 

研究者現在通過更多輪次的選擇，使右手性核糖酶能調控整個RNA的復制，且基本上不用依賴序列，並暗示左手性核糖酶進行同樣的篩選。這會使其成為一個真正通用的RNA復制酶，理論上能夠把原始的核苷酸「湯」（nucleotide soup）變為巨大的生物圈。

 

Joyce說：「最終我們想達到目標的是讓RNA復制酶受更少限制，讓其開始復制、進化並有所成效。當然這一切是在實驗室而不是野外進行。」