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一支来自慕尼黑大学的研究团队证明了tRNA的微小改变能使得它们自组装成一个具有几何倍数复制信息功能的单位。这说明tRNA是早期生命进化的关键因素。
生命是在显微尺度上各种错综复杂相互作用交织形成的网络，数以千计的分子参与其中。在我们的身体里，“复制”这一过程每天都在发生，各类蛋白质将储存在DNA分子中的遗传信息复制给细胞分裂形成的两个子代细胞。遗传信息随后被选择性复制（转录）转移到被称为信使RNA（mRNA）分子中，mRNA则介导了不同细胞所需的不同蛋白质的合成。第二类RNA——转运RNA（tRNA）——在将mRNA含有的遗传信息“翻译”成蛋白质的过程中扮演了重要角色。转运RNA在mRNA与蛋白质之间扮演了中间人的角色：它们确保了组成每个特定蛋白质的氨基酸残基按照mRNA编码的顺序排列在一起。
当生命最初进化的时候，如何在DNA复制和mRNA翻译为蛋白质之间产生如此复杂的相互作用？这里我们便碰到了先有鸡还是先有蛋的问题：遗传信息转录需要蛋白质的参与，而蛋白质自身的合成又依赖于基因转录。
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由慕尼黑大学的Dieter Braun教授带领的物理学家团队提出了解决该难题的方案。他们的研究表明在现代的tRNA分子上进行微小改造可以使它们自发形成某种复制模块，该模块具备以几何倍数复制信息的能力。这项发现意味着tRNA——在现代细胞中承担转录与翻译的关键中间人——也可以是早期生命连接复制与翻译的核心部分。因此，它可以为遗传信息或蛋白质哪一个先出现这一问题提供一个巧妙的解决方案。
令人意外的是，从序列和整体结构来看，tRNA在单细胞的古细菌（Archaea）与细菌（无真细胞核）和真核生物（Eukaryota，拥有核膜包被的细胞核）细胞中高度保守。这说明在生物圈内，tRNA是最古老的分子之一。
如同生命进化后期一样，复制与翻译的进化——与其之间复杂的关系——必然不是一步到位的。它更应被理解为进化过程中的最高点。“基础现象如自我复制、自催化、自我组织和分化应该在进化过程中扮演了重要角色。”Dieter Braun说道，“通俗地说，此类物理和化学过程完全取决于提供非平衡条件的环境的可获得性。”
在他们的实验中，Braun和他的同事们利用以现代tRNA的特征形式为模板的互补DNA链。每一条链都由两个“发夹”（hairpin）组成（之所以称为“发夹”，是因为每条链可以与自身部分配对并形成拉长的环结构），中间由一个信息序列隔开。八条这样的链就可以通过碱基互补相互作用形成一个复合结构。根据中央信息区域指示的配对模式，此复合物能够编码4位数的二进制基因码。
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每个实验开始前都会有一个模板——这是一个由定义二进制序列的两种类型中央信息序列组成的信息结构。该序列决定了互补分子的形式，使得互补分子可以在可用链库中相互作用。研究人员进一步证明了模板化的二进制结构可以在一个重复冷热交替的环境中被重复复制，或者说，扩增。“由此可以推断这样一种复制机制可以出现在早期地球的耐热微生物中。”Braun说道。具体地说，海底多孔岩石中的水相环境为这类反应循环提供了有利环境，因为已知在这种情况下会发生由对流产生的自然温度振荡。
在复制过程中，互补链（从分子库中提取）与模板链的信息链段配对。随后，远端的“发夹”也进行配对从而形成稳定的支柱，同时，温度振荡持续驱动扩增过程。如果温度在一段时间内保持上升，那么模板链便会从新复制的链上脱离，结果是两条链都可以成为下一轮复制的模板链。
研究团队成功证明了该系统可以进行指数式复制。这是一项十分重要的发现，因为它证明了复制机制特别不容易由于错误的累积而崩溃。事实上，复制复合物本身的结构就类似于现代tRNA的事实表明，在tRNA分子成为将信使RNA序列翻译成蛋白质的现代角色之前，早期的tRNA可能已经参与了分子复制过程。“这种在早期进化过程中出现在复制与翻译之间的连接可能可以解答鸡与蛋的问题。”Alexandra Kühnlein说道。它也可以解释原始tRNA的特征形式，并阐明在选择tRNA用于翻译之前的作用。
在化学聚合物层面上关于生命起源和达尔文式进化的实验室研究也对生物技术的未来产生了影响。“我们对于早期形式的分子复制和我们所发现的复制与翻译的联系让我们向重塑生命起源又迈进了一步。”Braun总结道。
翻译：王东岳
审校：刘宇航
引进来源：慕尼黑大学
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