在试管中，RNA分子进化成一个微小的生态系统

经过对生命起源研究的诱人影响的漫长实验后，日本的一个研究小组报告说，他们创建了一个分子试管世界，这些分子自发地进化出复杂性和令人惊讶的合作性。 Ryo说，经过数百小时的复制，一种 RNA 进化成五种不同的分子“物种”或宿主和寄生虫的谱系，它们和谐共存并合作生存，就像“生态系统的分子版本”的开始一样。该研究的主要作者、东京大学项目助理教授Mizuuchi 。

他们的实验证实了先前的理论发现，表明具有复制手段的分子可以通过达尔文进化自发地发展复杂性，“这是生命出现的关键一步，”研究人员写道。

“我们可以提供直接证据；当复制分子在试管中复合时，我们可以看到实际会发生什么，Mizuuchi 说。

没有参与这项研究的荷兰格罗宁根大学系统化学教授Sijbren Otto说，这是在实验室中进化出复杂的复制器网络的第一步，也可能是最重要的一步。 “有了这里显示的内容，前进的道路变得更加清晰，人们变得更加乐观，认为这实际上可以解决。”

伦敦大学学院的计算生物学家Joana Xavier称赞 Mizuuchi 和他的同事的工作是对最小系统如何复杂化的“很好的概念证明”。她说，这是“一个非常重大的进步”。

斯皮格尔曼的怪物之子

新实验的根源可以追溯到 1960 年代，当时分子生物学家 Sol Spiegelman 在他的实验室中创造了他所谓的“小怪物”。尽管在那个标签中带有科学怪人的暗示，但他的小怪物不是绿色的、方形眉毛的、咆哮的，甚至是活着的。它是一种合成分子，可以在试管中填充自身的副本。

在 1960 年代，分子生物学家 Sol Spiegelman 首次在分子水平上演示了达尔文进化论，使用了他称之为“小怪物”的不断进化的病毒 RNA 链。

Spiegelman 的怪物是基于病毒基因组的变异 RNA 链。这位生物学家发现他可以通过简单地在核苷酸构件和一种称为复制酶的聚合酶的存在下加热和混合它来无限期地复制它。然而，他很快意识到，随着时间的推移，他的分子越来越小：脱落不必要基因的拷贝复制得更快，这提高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。就像生物一样，他的分子在自然选择的压力下开始变异和进化，以便更好地在它们的玻璃世界中生存。

这些研究是世界上第一个在分子水平上证明达尔文进化论的实验——“自然选择的进化，适者生存，”美国国立卫生研究院国家生物技术信息中心的杰出研究员Eugene Koonin说。 “在这种情况下，适者生存意味着最快的复制。”

斯皮格尔曼的工作激发了数十年的进一步研究，其中大部分是研究生命起源的基础，并为生命起源于自我复制的 RNA 分子的 RNA 世界假说提供了燃料。但是这些研究没有回答一个关键问题：单个分子复制器能否演变成多个复制器的复杂网络？

大约十年前，当Norikazu Ichihashi在日本大阪大学担任生物信息工程副教授时，他着手通过调整 Spiegelman 的试管世界来寻找答案。 “我们试图将我们的系统开发得更加逼真，”Ichihashi 说。

Ichihashi 和他的团队开发了一种编码复制酶的 RNA 分子，该复制酶可以复制 RNA。但是为了让分子翻译自己的代码，科学家们需要添加更多东西：核糖体和其他基因翻译机器，它们是从常见的肠道细菌大肠杆菌中借来的。他们将机器嵌入液滴中，并将它们添加到 RNA 和原材料的混合物中。

然后是多年乏味的混合和等待。

他们的长期实验包括在 37 摄氏度（人体温度或炎热的夏日）下培养他们的复制系统，用新鲜的翻译系统添加新的液滴，并搅拌混合物以诱导复制。每隔几天左右，他们就会分析试管中的 RNA 浓度，每隔一周左右，他们就会从最新的混合物中冷冻样本。每隔半年左右，他们就会对收集到的大批量样本进行测序，看看 RNA 是否获得了新的突变并进化成新的谱系。

试管的演变

经过 215 小时和 43 轮复制后，研究人员开始看到有趣的结果，他们在 2016 年的《美国国家科学院院刊》上报告了这些结果。原始 RNA 已被另外两种 RNA 的谱系所取代。研究人员将其称为“宿主”，它可以使用自己的复制酶来复制自己，就像原始分子一样。另一个谱系，一种“寄生虫”，需要借用宿主的基因表达机制。

当 Ichihashi 和他的同事在 600 小时内将实验扩展到 120 轮复制时，他们发现宿主谱系已经分裂成两个独立的宿主谱系，其中一个宿主进化出了两种不同的寄生虫。但增加的不仅仅是血统的数量；他们互动的复杂性也是如此。宿主获得了干扰寄生虫劫持其复制资源能力的突变——但寄生虫也产生了突变，以抵御这些障碍。宿主和寄生虫似乎在共同进化。

科学家们在 2020 年在eLife上报告说，寄生虫和宿主的数量在“进化军备竞赛”中争夺这个领域时发生了很大的波动。每个 RNA 谱系短暂地上升到优势地位，然后失去了它的位置给另一个。 “如果一个血统占主导地位，那么另一个血统就会减少，”现任东京大学教授的市桥说。

对于东京大学研究员、新研究的主要作者 Ryo Mizuuchi 来说，这项工作展示了寄生虫和宿主如何相互推动进化。 “没有寄生虫，这种程度的多样化可能是不可能的，”他说。

但研究人员继续进行实验，到了第 130 轮，另一个宿主进化了。到第 160 回合，其中一种寄生虫消失了；几轮之后，又出现了一种寄生虫。到了第 190 轮，研究人员发现了一个新的惊喜：每个谱系的种群中巨大的动态波动已经开始让位于较小的波动。这种稳定表明谱系不再竞争复制。取而代之的是，他们开始以网络的形式进行互动，并在准稳定共存的状态下进行合作。

Mizuuchi 和 Ichihashi 与Taro Furubayashi （当时是 Ichihashi 实验室的博士生，现在是东京大学的研究员）一起进行了实验，他们对研究结果感到震惊，他们在 3 月的Nature Communications上报告了这一发现.它们只是“单纯的分子”，Mizuuchi 说。 “真是出乎意料。”

合作寄生虫尽其所能

Koonin 同意他们的发现是惊人的。他说，他们的“实验设置更精细，更真实，结果更复杂、更丰富，但 [它] 与 Spiegelman 的完全兼容”。他们观察了一种类型的分子在自然选择下复制并收集突变——但随后让不同的分子在彼此的影响下进化成一个群落，就像活细胞、动物或人的群落一样。在此过程中，研究人员探索了一些规则，这些规则管理着这些复杂社区如何变得稳定和持久。

其中一些结果证实了早期实验研究的预测，即病毒、细菌和真核生物如何产生复杂性，以及一些理论工作。例如，库宁实验室的一项研究也表明，寄生虫在复杂性的出现中是不可避免的。

“没有寄生虫，这种程度的多样化可能是不可能的，”Mizuuchi 说。寄生虫及其宿主相互施加的进化压力导致双方分裂成新的谱系。

出现的一个更令人惊讶的基本原则是合作的关键作用。这五个世系分属不同的小型合作网络，有的比其他的更合作。例如，到了第 228 轮，三个宿主中的一个已经进化为可以复制自己和所有其他血统的“超级合作者”；另外两个宿主只能复制自己和其中一种寄生虫。

长期以来，科学家们一直专注于进化中的竞争研究，以至于合作的作用“有点被忽视了，”泽维尔说。 “我认为合作也将开始发挥重要作用，尤其是在起源方面，因为有很多事情必须以正确的方式结合在一起。”

RNA 之间的合作完全集中在 Ichihashi、Mizuuchi 和他们的同事观察到的系统中的复制上。但研究人员希望，通过调整试管内的自然选择标准，也有可能迫使 RNA 进化出完全不同的功能，例如代谢功能。

不同的命运

加州大学圣克鲁斯分校生物分子工程研究教授大卫·迪默说：“科学家们喜欢互相娱乐，最好的娱乐就是惊喜。”他认为这是一篇好论文，但指出实验室发生的事情可能无法转化为生命之初发生的事情。

事实上，Ichihashi 实验室的场景无法反映生命开始时发生的情况，因为实验依赖于大肠杆菌的翻译机器。 “生命起源的典型问题是：蛋白质合成本身是如何开始的？”北卡罗来纳大学医学院生物化学和生物物理学教授查理·卡特说。

但 Koonin 认为，如果研究人员找到一种使用真正自我复制的分子系统来进化复杂性的方法，他们会看到与论文中描述的网络非常相似的东西。 “它们至少很好地说明了生命起源中可能发生的过程类型，”库宁说。

对 Otto 来说，这项研究表明，一旦你解决了这种复杂程度的分子的精确复制问题，它们就会进一步复杂化：这个实验“并没有告诉你你是如何到达那里的，但一旦你到达那里在这个阶段，它确实为未来指明了方向，”他说。

继续他们的工作，Ichihashi 和他的同事想看看他们是否可以在单独的实验中重新创建相同的可持续网络，因此他们提取了五个谱系的样本。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 轮以上，但第五个谱系消失了。 “我不知道为什么，”市桥说。 “这是一个非常奇怪的点。”

一种可能性是该系统比研究人员想象的还要复杂，当他们分离出这五个谱系时，他们错过了对消失的谱系生存至关重要的第六个。通过理论模型，Ichihashi 的小组证实了剩下的四个谱系可以持续且相互依存地复制，并且敲除这四个谱系中的任何一个都会导致其他至少一个灭绝。他们的模拟还指出了一个违反直觉的发现，即消灭其中一种寄生虫会导致其宿主灭绝。

与此同时，研究人员继续他们的主要试管实验，并正在等待他们的网络是否会进一步复杂化。他们还开始了使用 DNA 代替 RNA 的类似实验。

Ichihashi 说，“我们观察到了这些分子复制器群落如何进化的开始”。 “我认为他们未来有不同的命运——我们无法预测会发生什么。”