成長(cháng)中的生命：RNA復制分子組成的枝杈從DNA主干處水平發(fā)散開(kāi)來(lái)。這樣的RNA可以在試管中向我們展示出進(jìn)化的一些基本特征。然而，對于人造生命而言，它們還需要進(jìn)化出嶄新功能的能力。
杰勒德·F·喬伊斯（Gerald F. Joyce）承認，在看到這些實(shí)驗結果的時(shí)候，他有一種沖動(dòng)，想要暫停進(jìn)一步研究，立即把這些結果發(fā)表出去。經(jīng)過(guò)多年努力，他和他的學(xué)生特蕾西·林肯（Tracey Lincoln）終于發(fā)現了一對雖然短小但功能強大的RNA序列，把它們和一堆結構更簡(jiǎn)單的RNA“原料”混在一起，前者的數量會(huì )不斷倍增，幾小時(shí)內就能擴增至原來(lái)的10倍，而且只要有充足的原料和空間，這種擴增過(guò)程就不會(huì )停止。
但是喬伊斯對此并不完全滿(mǎn)意。這位53歲的分子化學(xué)家是美國加利福尼亞州拉霍亞市斯克里普斯研究所（Scripps Research Institute）的教授兼所長(cháng)，也是“RNA世界”（RNA world）假說(shuō)的提出者兼擁護者之一。今天我們所知的生命主要基于DNA和酶類(lèi)蛋白質(zhì)，在絕大多數情況下，RNA不過(guò)是傳遞遺傳信息的信使。RNA世界假說(shuō)則認為，現有生命是從一個(gè)更簡(jiǎn)單的前生命化學(xué)系統進(jìn)化而來(lái)的，這個(gè)系統主要、甚至完全建立在RNA之上。當然，這個(gè)想法要說(shuō)得通，RNA本身就必須能夠支撐進(jìn)化。喬伊斯認為，或許他合成的RNA有助于證實(shí)這種可能性。因此他和林肯又多花了一年時(shí)間來(lái)研究這些分子，在它們的序列上制造種種突變，并且建立起只有適者才能生存的競爭環(huán)境。
2009年1月，就在達爾文誕生200周年前一個(gè)月，他們在《科學(xué)》雜志上公布了研究結果。他們的微型試管系統確實(shí)表現出了達爾文進(jìn)化的幾乎所有本質(zhì)特征。實(shí)驗伊始，有24個(gè)RNA變體進(jìn)行自我復制，其中一些變體在實(shí)驗環(huán)境中的復制速度比其他變體更快。所有RNA分子都共享同一個(gè)“原料”池，因此每一種分子都要和其他分子競爭。復制過(guò)程并不完美，因此新的變體很快就會(huì )出現，甚至繁榮興盛——喬伊斯把這些突變稱(chēng)為重組體（recombinant）。
“我們讓這一過(guò)程持續進(jìn)行了100個(gè)小時(shí)，”喬伊斯回憶道，“最后觀(guān)察到復制分子的總數擴增了1023倍。最初那幾十種復制分子很快就消失了，重組體開(kāi)始接管整個(gè)群落。”不過(guò)，沒(méi)有一種重組體進(jìn)化出了它們的祖先所不具備的新功能。
缺少了這關(guān)鍵的一環(huán)，人工進(jìn)化就無(wú)法完全重現真正的達爾文進(jìn)化。“這還算不上生命，”喬伊斯強調說(shuō)，“生命能夠在進(jìn)化中‘開(kāi)創(chuàng )’出全新的功能，我們還沒(méi)有做到這一點(diǎn)。我們的目標是在實(shí)驗室中制造生命，但是要實(shí)現它，我們就必須增加整個(gè)系統的復雜性，足以使它們進(jìn)化出新的功能，而不只是對早已存在的舊有功能進(jìn)行優(yōu)化。”
這一目標顯然有可能實(shí)現，因為喬伊斯實(shí)驗室中的RNA復制分子相對簡(jiǎn)單：每個(gè)分子僅擁有兩個(gè)可以變化的基因樣片段（genelike section）。每一個(gè)這樣的“基因”都是一段短小的RNA原料。一個(gè)復制分子就是一個(gè)RNA酶，能夠把兩個(gè)“基因”集結并連接起來(lái)，產(chǎn)生一個(gè)新的微型酶，也就是這個(gè)復制分子本體的“配體”。配體被釋放后，也會(huì )集結兩個(gè)不受束縛的“基因”，組裝后產(chǎn)生一個(gè)與本體相同的克隆體。如果配體不忠實(shí)于本體，把本來(lái)并不匹配的兩個(gè)“基因”連接在一起，就會(huì )產(chǎn)生重組體。不過(guò)，這樣的重組體確實(shí)無(wú)法創(chuàng )造出新的“基因”。如果能夠營(yíng)造出一個(gè)更復雜的系統，或者給每個(gè)復制分子增加更多的“基因”來(lái)增加復雜性，創(chuàng )造新的基因或許有可能實(shí)現。
美國伊利諾伊大學(xué)研究DNA酶的化學(xué)家斯科特·K·西爾弗曼（Scott K. Silverman）希望：“在新的分子中捕獲到達爾文進(jìn)化的蹤跡，我們或許能更好地理解生物進(jìn)化的一些基本原則。”分子水平上的生物進(jìn)化在某種程度上依舊是個(gè)不解之謎。喬伊斯與林肯就在實(shí)驗的事后檢驗時(shí)發(fā)現，三類(lèi)最成功的重組體已經(jīng)形成了一個(gè)“派系”。派系中的任何一個(gè)成員出現復制錯誤，產(chǎn)生的新重組體都會(huì )是派系中另外兩個(gè)成員當中的一員。
喬伊斯表示，在實(shí)驗室中創(chuàng )造生命的下一個(gè)重大步驟，就是改造（或進(jìn)化）出一系列合成分子，以便在復制的同時(shí)還能行使新陳代謝的作用。哈佛大學(xué)醫學(xué)院的遺傳學(xué)家杰克·W·紹斯塔克（Jack W. Szostak）已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種與ATP結合的無(wú)機蛋白，而ATP這種攜帶能量的化學(xué)物質(zhì)對新陳代謝至關(guān)重要。紹斯塔克的實(shí)驗室還在嘗試制造原生細胞（protocell），也就是把RNA包裹進(jìn)一種被稱(chēng)為膠團（micelle）的脂肪酸小球，這種小球能夠自發(fā)地形成、合并及復制。
盡管生物學(xué)家在想方設法用RNA和其他基本物質(zhì)拼湊成某種形式的人造生命，但這種人工營(yíng)造的系統可能一開(kāi)始就過(guò)于復雜，很難證明40億年前自然生命也是由類(lèi)似的方式產(chǎn)生的。喬伊斯指出，盡管他的復制分子只包含50個(gè)化學(xué)“字母”，但是隨機出現這么一條序列的幾率只有大約1/1030。“如果復制分子的長(cháng)度能夠縮短到6個(gè)‘字母’，哪怕縮到10個(gè)‘字母’，我才會(huì )說(shuō)我們或許找對了方向，因為按照人們的設想，這樣的分子才會(huì )（在原始有機物質(zhì)湯中）自發(fā)形成。”（譯/馮志華校/虞駿）
從試管生命到診斷工具
在實(shí)驗室中創(chuàng )造出生命，對人類(lèi)來(lái)說(shuō)是一個(gè)重大事件。盡管與《弗蘭肯斯坦》中的科學(xué)怪人相比，目前的研究更局限于分子水平，但是這些結果還有不少更加實(shí)際的用途。喬伊斯在一篇即將發(fā)表于《自然·生物技術(shù)》的論文當中，描述了他的實(shí)驗室如何改變RNA復制分子，使它們具備了自我復制的生化功能。他認為，進(jìn)化競賽的領(lǐng)跑者會(huì )是醫學(xué)診斷的良好候選分子。伊利諾伊大學(xué)的西爾弗曼認為，這是一個(gè)絕佳的創(chuàng )意：“假設你現在要在一個(gè)包含眾多不同化學(xué)物質(zhì)的‘骯臟’環(huán)境下進(jìn)行檢測工作，比如說(shuō)在花生醬中找到沙門(mén)氏菌（Salmonella）。如果不進(jìn)行提純，這樣的檢測很難進(jìn)行。如果能夠‘進(jìn)化’出一套診斷系統，在如此‘嘈雜’的環(huán)境下仍然可以檢測到‘信號’，那就會(huì )大有用處。”
(來(lái)源：環(huán)球科學(xué) 撰文/W·韋特·吉布斯)
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