更新时间：作者：小小条
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https://www.earth.com/news/life-copying-itself-scientists-create-a-self-replicating-rna-system/
在探索生命起源这一终极科学谜题的漫长征途中，科学家们近日取得了一项里程碑式的突破。一个由伦敦大学学院（University College London）领导的研究团队，成功设计并验证了一个全新的RNA（核糖核酸）系统，该系统首次在接近早期地球的模拟环境中，展示了持续进行模板复制的能力。这项发表在《自然·化学》（Nature Chemistry）上的研究，巧妙地克服了困扰该领域数十年的“链分离”瓶颈，为“RNA世界”假说——即生命最初由RNA分子主导——提供了迄今最强有力的实验支持之一，也让我们离在试管中观察“分子达尔文主义”的诞生更近了一步。
这一进展的核心，是一种人工设计的RNA酶（核酶），它能在特定的物理和化学循环中，像织布机一样将短的RNA片段编织成更长的链，并为自身的复制奠定基础。这不仅是一次精巧的分子工程壮举，更可能揭示了地球生命在数十亿年前开启其进化史诗的奥秘。
“RNA世界”假说是解释生命起源的主流理论。它推断，在DNA和蛋白质出现之前，地球上存在一个由RNA主导的时期。RNA这种分子极具魅力，因为它集两大关键功能于一身：既能像DNA一样储存遗传信息，又能像蛋白质（酶）一样折叠成复杂结构并催化化学反应。这种“一身二任”的特性，使其成为最有可能启动生命进程的候选分子。
然而，这一优雅的假说始终面临一个巨大的实践障碍，被称为“复制悖论”或“链分离难题”。当一个作为模板的RNA链被一个RNA聚合酶（一种核酶）复制时，新合成的互补链会紧紧地与模板链结合，形成一个稳定的双螺旋结构。这个新生成的双螺旋异常坚固，导致它无法轻易解开以进行下一轮的复制。其结果是，复制过程在产生一个拷贝后便会戛然而止。这个“产品抑制”问题，就像一把只能拉上一次就卡死的拉链，成为了在实验室中实现RNA持续自我复制的根本性障碍。
过去，研究人员尝试过各种方法来“撬开”这个双螺旋，例如使用极高的温度或刺激性的化学物质，但这些极端条件往往会破坏脆弱的RNA分子本身，或者干扰复制反应所需的精妙化学环境，使其在地质学上显得不切实际。
由詹姆斯·阿特沃特（James Attwater）博士领导的团队，此次采用了一种全新的、更“温和”且地质上更合理的策略，其核心是两大创新：使用RNA三联体和引入冻融循环。
研究团队没有使用单个的RNA碱基作为构建模块，而是选用了由三个核苷酸组成的短链，即“三联体”（trinucleotside triphosphates）。这一选择极为巧妙，因为它一石二鸟地解决了两个问题。首先，这些三联体足够长，可以稳定地附着在单链RNA模板上，有效阻止新合成的链与模板链过早地“重新拉上拉链”，从而解决了链分离难题。其次，这些三联体本身就是核酶进行“缝合”的底物，即构建新RNA链的“砖块”。
更进一步，该团队将整个反应系统置于一个模拟早期地球环境（如间歇性喷发的温泉或潮汐池）的冻融循环中。在每个循环的冷冻阶段，当大部分水结成冰晶时，剩余的液态水中会形成一个高度浓缩的“共晶相”。在这个微小的液态空间里，核酶、RNA模板和三联体被“圈”在一起，浓度急剧升高，极大地促进了化学连接反应的效率。而在随后的加热阶段，温度升高不仅为反应提供了能量，还有助于熔化新生成的双链体，使其为下一轮复制做好准备。
实验结果证实了这一策略的成功。该系统不仅能复制预先设定的模板，更重要的是，它展示了指数级增长的特性——即在一个循环中新生成的拷贝，可以在下一个循环中成功地充当模板，进一步产生更多的拷贝。这是真正意义上的自我复制的关键标志，也是达尔文进化论得以启动的数学基础。到目前为止，该系统中的核酶已能成功复制其自身180个核苷酸长度中的30个片段。
此外，研究还发现了一个有趣的现象，可能暗示了遗传密码的起源。研究人员观察到，在他们的系统中，那些最能有效阻止链重新结合的三联体，其组成与现代生物细胞中被认为是最古老、最稳定的遗传密码子高度匹配。威斯康星大学麦迪逊分校的地球化学家扎卡里·亚当（Zachary Adam）评论说，这一重叠“暗示了复制化学可能在蛋白质出现之前很久，就已经推动了进化朝向密码子系统的方向发展”。
尽管距离实现一个能够完整复制自身的、真正“活”起来的RNA系统还有很长的路要走（阿特沃特的团队正在努力优化核酶以使其能复制整个链条），但这项工作无疑是一个分水岭。它首次提供了一个在生化和地质层面都具有高度合理性的模型，展示了生命最核心的自我复制功能是如何从简单的化学和物理法则中涌现的。通过将一个长期存在的理论假设转化为一个可观察、可测试的实验室过程，科学家们为我们窥探生命起源的奥秘，打开了一扇迄今为止最为清晰的窗口。
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