生命如何从氰化物进化而来？

地球上的生命是如何开始的？这是所有科学中最伟大、最古老的谜团之一——解决它的线索就在我们身边。生物学家有时将进化史想象为记录下来的“生命磁带”，如果一遍又一遍地重播，结果可能会有所不同。在这一集中，史蒂文·斯特罗加茨与两名检查磁带不同部分的研究人员交谈。首先，听听诺贝尔奖获得者生物学家Jack Szostak的看法，他探讨了含有氰化物的沸腾池是如何产生 RNA 和 DNA 等基本生命元素的。然后听听古遗传学家和天体生物学家Betül Kaçar的介绍，他复活了古代基因，了解它们如何帮助进化现代生活所必需的过程。

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杰克·绍斯塔克

Jack Szostak (01:53)：谢谢你邀请我来这里。

Strogatz (01:55)：让我从一个关于生命起源的问题开始。正如我所说，它是所有科学中最大的谜团之一，解决它的尝试似乎是有史以来最伟大的侦探故事之一。对于地球上的生命是如何开始的，你最好的猜测是什么？

Szostak (02:09)：好的，所以我认为我们必须考虑地球表面的一些环境，某种浅湖或池塘，在那里制造和积累 RNA 的组成部分，以及脂质和其他与生物学相关的分子。然后它们自组装成包裹 RNA 的脂质囊泡，条件是 RNA 可以在太阳能量的驱动下开始复制。这将使达尔文进化论开始。因此，一些对它们所在的原始细胞有用的 RNA 序列将赋予优势，这些原始细胞将开始接管种群。然后你开始奔跑，生活会逐渐变得更加复杂并演变为传播到不同的环境，直到你最终得到我们今天在我们周围看到的东西。

Strogatz (03:01)：有哪些场景呢？你知道，只是为了给我们一些具体的思考。因为我的意思是，我记得小时候上高中生物，我们都听说过斯坦利米勒和米勒-尤里实验。你为什么不首先提醒——我的意思是，你会说，对其中一些问题的科学调查是从哪里开始的？有了这个，还是我们应该看看更早的地方？

Szostak (03:22)：嗯，那肯定是一个革命性的里程碑，我的意思是它创造了这样的轰动。你知道，你可以用这种看似简单的方式制造氨基酸，蛋白质的组成部分，这对人们来说是一个启示，它激发了极大的兴趣。斯坦利是芝加哥大学哈罗德·尤里实验室的研究生。当然，尤里是一位诺贝尔奖获得者，他发现了氢的同位素，如氘等。我理解这个故事的方式是，斯坦利说他想尝试模仿当时被认为是早期地球的大气层——比如氢气、氨气、甲烷、一些水，类似的东西——用一些能量在火花放电的形式，看看发生了什么。他的顾问告诉他不要这样做，那永远行不通，你知道吗？当然，它确实做到了。是的，这是一个巨大的成功，并且制造了各种有趣的分子。

好的，但是，你知道，当你开始更仔细地观察它时，你知道，凭借 70 年的事后诸葛亮，我们看到的是，实际上制造的不仅仅是你可能制造的分子想要，但是微量的氨基酸与成千上万种其他化学物质混合在一起，其中一些——其中一些与生物学有关，但大多数与生物学无关。一些关键的构建块根本不存在。因此，这显然表明这不是进行化学以开始生活的正确方法。

Strogatz (05:02)：好的。你知道，你提到了 RNA 世界。这是我们故事中的下一个重要概念吗？或者，也许在 RNA 世界和 Miller-Urey 之间存在某种东西。

Szostak (05:12)：几十年来，对生命起源的思考一直很混乱，因为现代生活中的一切都取决于其他一切。所以它是，所以你有编码 RNA 和蛋白质序列的 DNA，但你需要蛋白质来复制 DNA。要将 DNA 转录为 RNA，您需要 RNA 来制造蛋白质。所以你需要——系统的所有部分都需要所有其他部分。所以这是一个逻辑难题。答案，解决方案，来自所谓的 RNA 世界的想法，最初是由一些非常聪明的人假设的，比如 60 年代后期的Francis Crick和Leslie Orgel ，他们认为 RNA 可能具有作为酶的能力。

Strogatz (05:58)：因此，RNA 不仅可以携带信息，而且可以成为帮助（例如）复制所需的酶。我没有意识到——这是在实验室发现之前的假设。

Szostak (06:09)：没错，是的。所以这是在 60 年代后期提出的，当 tRNA 的结构出来时，人们第一次看到 RNA 可以折叠成这些复杂的三维形状。这就是你需要的，对，建立一个催化中心。

Strogatz (06:25)：但是，你是说有这个预测，你说是在发现 tRNA 的样子之后发生的——转移 RNA。所以也许你提醒我们一点，对于那些对高中生物学有点模糊的人。什么是 tRNA，它对我们有什么作用？

Szostak (06:40)：好的，所以 tRNA 是转移 RNA 的缩写。它是一组相对较短的 RNA 分子，大约 70 或 80 个核苷酸长，它们携带氨基酸到核糖体。然后核糖体的催化机制从 tRNA 中提取氨基酸，并将它们组装成不断增长的肽链。所以RNA在制造蛋白质方面有很多作用。有带入氨基酸的 tRNA，有核糖体的 RNA 成分，事实证明它实际上协调了一切，进行催化。当然，还有信使 RNA，你知道，我想现在每个人都知道信使 RNA，不是吗？

Strogatz (07:24)：对，因为我们有 mRNA 疫苗，比如 Moderna 和辉瑞。正确的。所以我们有了这三个有趣的角色，信使 RNA、转移 RNA 和由 RNA 构成的核糖体本身。所以这是线索的一部分，因为我们在谈论线索，这表明 RNA 非常非常基础。

Szostak (07:43)：是的，完全正确。当核糖体的晶体结构得到解决后，我们实际上可以看到催化位点。很明显，RNA 是蛋白质的来源。因此，从逻辑上讲，你摆脱了这种自我参照循环，你所需要的只是早期生命形式使用 RNA作为其遗传物质的想法，就像我们今天在病毒中看到的那样。他们还使用RNA作为催化材料。所以他们的酶是由RNA制成的。所以现在，问题要简单得多，对吧？你只需要知道或弄清楚如何从化学到简单的基于 RNA 的细胞。

Strogatz (08:26)：这很棒。所以，Sherlock，你把我们带到了这个点，现在我们有一个非常重要的嫌疑人，RNA 在地球早期生命的故事中是非常关键的。

Szostak (08:38)：所以，你必须弄清楚如何获得 RNA。这并不容易。

Strogatz (08:44)：啊哈。尤其是斯坦利米勒的闪电火花中没有出现这种情况。是的，我记得他们在那个实验中根本没有产生 RNA。

Szostak (08:55)：没错。但可能有一些成分的痕迹，比如腺嘌呤，因为实际上，氰化物是在 Miller-Urey 类型的实验中制成的，氰化物很容易组装成腺嘌呤。但是很多其他的构建块更难制造。

Strogatz (09:14)：好吧，也许我们应该谈谈氰化物，因为你提出来了。我敢肯定很多人听了这话都会吓坏了，以为氰化物就是你杀人的方式。

Szostak (09:22)：我认为这是整个领域最有趣的讽刺之一，构建所有生命分子的最佳起始材料竟然是氰化物。

Strogatz (09:31)：这太棒了。好的，请告诉我们更多有关此的信息。

Szostak (09:34)：所以，我认为，实际上已经知道，再次回到 60 年代或 70 年代，氰化物在开始与自身反应时具有非常丰富的化学成分。 Joan Oró做了一个关键实验，表明氰化物可以相当有效地组装成腺嘌呤。许多人致力于从氰化物和相关化合物开始研究 RNA 的其他组成部分。

(10:06) 氰化物的一个问题是你可以在大气中制造氰化物，但它会以非常稀的溶液的形式下雨到地表。这不是很有帮助，您需要一种方法来集中它并存储它。这实际上有一个非常显着、简单和有效的解决方案，那就是你可以用铁捕获氰化物，在溶液中制造一种非常安全的无毒化合物，称为亚铁氰化物。因此，在某些类型的湖泊中，亚铁氰化物会随着时间的推移而积累。

(10:44) 所以，铁从地下水中上来。氰化物来自大气。它们结合在这些，也许是浅湖、池塘等等。一些氰化物盐会沉淀出来并形成一种沉淀物。无论如何，就是这样的想法。所以你有一个巨大的浓缩氰化物库。

斯特罗加茨(11:06)：嗯。所以这实际上离达尔文的小池塘并不远，如果我没听错的话。

Szostak (11:11)：我们的想法是，现在你有了这个以亚铁氰化物形式存在的氰化物固体储层。但是现在，你如何使用它来做化学，对吧？所以有不同的情况，但基本上，当你加热它时——所以如果有陨石的影响，或者如果你有熔岩流过它，你基本上可以将亚铁氰化物转化为一系列其他化合物，再次，更具反应性。现在，您可以开始构建更复杂的分子。

Strogatz (11:44)：所以这不仅仅是阳光照在上面的问题，你是说你需要一些暴力的东西。你在谈论流星撞击或彗星或其他东西。

Szostak (11:53)：是的，或者，你知道，火山——是的，我们认为环境非常活跃。所以，你知道，熔岩流将是非常普遍的事情。那可以转化亚铁氰化物。然后，是的，后来，事情冷却下来，下雨，溶解这些化合物，再次进入一个浅湖，一个池塘。现在我们离达尔文温暖的小池塘更近了一点。而现在，阳光起着至关重要的作用，因为至少在萨瑟兰化学中，需要许多很多光化学反应，才能使你达到核苷酸、氨基酸、脂质的水平。 [编者注：Szostak 指的是由医学研究委员会分子生物学实验室的约翰·萨瑟兰和其他人倡导的关于益生元化学的理论。 ] 但是，本质上，这个想法是你用氰化物制造所有这些化合物。

斯特罗加茨(11:54)：嗯。极好的。所以，也许我们应该回到这个主题，你知道，现在我们有了氰化物世界，我们可以以某种方式进入 RNA 世界，但显然，这仍然是一个很大的谜，对吧？

Szostak (12:51)：嗯，我认为获得 RNA 的四个组成部分中的两个的途径可能已经完成了 90%？我想说的是最大的步骤之一——我们拥有来自阳光的所有能量，对吧？但问题是，你如何将这种能量转化为有用形式的能量，一种可以驱动这些构建块凝聚成长 RNA 链的化学能？我想我们都会同意这个问题还没有解决。

Strogatz (13:25)：所以，你已经和我们谈了很多关于 RNA 作为一种三重威胁的优点，它在现代生物学中所做的所有这些事情。但是没有听说它更著名的表亲 DNA 有点令人惊讶。与早期生命中的 RNA 相比，DNA 有什么问题吗？

Szostak (13:41)：所以这实际上是一个非常有趣的问题。我们曾经认为生命肯定是从 RNA 开始的，因为我们在思考核酶、RNA 催化剂、RNA 在现代细胞中的作用。但最近出现的一些化学线索表明，RNA和DNA的组成部分可能是在同一环境、同一时间、同一地点并排制造的。因此，一种可能性是，早期的遗传物质实际上是某种 RNA 和 DNA 的混合共聚物。我们的实验表明，复制 RNA 的化学反应比复制 DNA 的相同反应更快，所以我仍然认为 RNA 在早期竞争中会超过 DNA，但这是一个非常活跃的研究领域。很多人都在研究这个，合成途径仍在研究中。

Strogatz (14:41)：早些时候，您确实提到了另一个重要线索，那就是现代膜通常，嗯，也许总是由脂质制成。所以我们应该谈谈问题的那个方面，你在细胞或原始细胞的早期创造中提到的划分，或者——我知道你自己已经研究过了，你为什么不告诉我们一些故事呢？

Szostak (15:03)：如果我们看一下现代生物学，细胞是由膜包围的，它们往往是非常复杂的结构。构成现代膜的分子、脂质是相对复杂的分子——磷脂和一系列相关类型的分子。但事实证明，你可以用更简单的分子制造非常相似的膜。脂肪酸之类的东西，基本上是肥皂。我认为这是非常有吸引力的，你知道的，你可以用这些简单的积木建造你需要的膜来制造原始隔间。

Strogatz (15:39)：所以，我想我不明白复制在整个细胞或这个原始细胞的水平上会如何发生。

Szostak (15:47)：好的，我可以告诉你我们在哪里。因此，几年前，我们找到了使这些原始膜、脂肪酸膜生长和分裂的方法。它们很容易用更多的脂肪酸喂养。让它们分开并不需要太多。因此，例如，轻轻摇晃就可以了。另一方面，要复制 RNA 序列是一个困难得多的问题。所以，这就是为什么——我们现在真的在我的实验室里专注于这个。我们在复制 RNA 序列方面做得越来越好。所以这意味着如果你有，比如说你有一条 RNA，你可以用它作为模板来构建互补链，然后你会得到一个双螺旋，有点像 DNA 的双螺旋，除了一个RNA 双螺旋。但是一个大问题是如何将这些链分开并复制副本，然后复制这些副本。我们对如何做到这一点有想法，但我们还没有到达那里。这是未来几年的巨大挑战。

Strogatz (16:53)：嗯，非常感谢，杰克。这真是令人着迷，我们非常感谢您今天抽出时间与我们在一起。

Szostak (16:59)：谢谢你，史蒂夫。这是我的荣幸。谈到生命的起源，这是我最喜欢的话题，所以，很高兴谈论它。

播音员（17:09）：想知道在数学、物理、计算机科学和生物学的前沿发生了什么吗？与Quanta Magazine纠缠不清，这是一份由 Simons Foundation 支持的独立编辑出版物。我们的使命是通过公共服务新闻阐明基础科学和数学研究。请访问我们的 quantamagazine.org。

Strogatz (17:36)：Jack Szostak 试图了解生命是如何从非生命、化学、物理和地质学中产生的。就好像他从头开始，在生命存在之前，并试图将磁带向前播放，看看生命是如何开始的。但也有科学家尝试相反的策略。他们从我们今天对生命的了解开始，并试图将磁带倒退，利用进化试图回到数十亿年前的过去，重建生命最初的样子。除了他们没有使用化石来建造他们的生命之树。他们使用分子，如 DNA，作为他们的线索。

现在加入我的是 Betül Kaçar。她是威斯康星大学麦迪逊分校细菌学系的助理教授。她还是MUSE 计划的首席研究员，这是一项由 NASA 资助的主要天体生物学研究计划。 Betül Kaçar，非常感谢您来到这里。

Betcl Kaçar

Betül Kaçar (18:33)：谢谢你邀请我。

Strogatz (18:34)：我很高兴能和你交谈，我喜欢你的工作。我想知道我们是否可以从你告诉我们一些关于你寻找答案的方法开始，数十亿年前的生活是什么样的？你在寻找什么样的线索？

Kaçar (18:48)：我们有兴趣了解早期生活。如果你仔细想想，生命的起源和早期进化为我们周围的一切复杂事物创造了蓝图。我们有兴趣了解该蓝图。我们使用现代生物信息来追踪这个星球上的生命历史，特别是通过关注重要的新陈代谢、基本反应和基本生物过程。我们试图了解它们是如何出现的，它们是如何蓬勃发展的？他们是如何在某些方面为这个星球上的生命定下基调的。

Strogatz (19:29)：这是一个很酷的想法，正如你所说，在今天生物的新陈代谢中，线索遍布我们周围，但不知何故，你可以利用这些信息倒退数十亿年？

Kaçar (19:41)：是的，所以我们试图了解当前的生物体之间有哪些共同点？您甚至可以将其视为生活中所有领域中存在的所有新陈代谢的维恩图。然后我们试图了解当今生物体中的共同点，以及我们是否可以将它们分配为早在数十亿年前也存在的共享过程。这就是我们做出的初步假设。我必须公开地说，在一开始，研究早期生活依赖于做出很多假设。没有人有一个复选框，没有人有一个板子可以回去记录一切，并带回今天。为了理解过去，我们非常小心地做出了什么样的假设。这是非常具有挑战性的，你知道，我们正试图找出一些东西，这些过程的线索，其中大部分已经被抹去。所以，这是一种福尔摩斯审视过去的方式，我认为挑战本身就非常令人兴奋。

Strogatz (20:47)：太棒了。我喜欢这个比喻。这是完美的。这就像夏洛克福尔摩斯。我的意思是，因为有一些演绎推理。有一些线索，但它们并不完美，你必须做出一些假设，一些好的猜测。

Kaçar (20:58)：没错。其实我一直想成为一名考古学家。我觉得我已经实现了这个梦想。

Strogatz (21:04)：有趣。所以你就像一个分子或生物考古学家什么的。

Kaçar (21:09): 你去。古生物学家。所以，这是我最接近童年梦想的地方。

Strogatz (21:14)：你知道，你提到了福尔摩斯。我听你说，在另一次采访中，你觉得你正在做的事情是在唤醒睡美人。

Kaçar (21:24): 是的，有些很漂亮，有些很丑，实际上。

Strogatz (21:27)：他们是谁？他们是什么？

Kaçar (21:29)：蛋白质，有时是它们的网络，当我们把它们带到现在时，它们根本不想在这里。我的意思是，在实验上，我们有兴趣在实验室中研究它们，它们可以增加我们纯化它们的能力、我们首先合成它们的能力、我们表征它们的能力方面的挑战。即使对于今天的现代蛋白质来说，这些都是难题。处理我们使用数学模型、进化模型和大量推论生成的祖先 DNA，然后我们通过使用现代生物作为宿主在实验室合成，为蛋白质生物化学问题增加了另一层挑战全面的。他们对我们来说几乎是陌生的。所以可以肯定地说，我们正在处理一种外星分子，如果你仔细想想的话。曾经存在于这个星球上的过去的片段。

Strogatz (22:25)：是的，正如我们现在所说的那样，我突然想到，有一些步骤丢失了，我可能应该让你引导我们完成。所以几分钟前，你说你想到了今天与新陈代谢相关的分子，比方说。或者我想它们可能是信息分子、RNA 和 DNA 之类的东西。然后你尝试通过一种生命之树或某种分子树来重构……他们可能演变而来的语言。而且我知道语言学家相信地球上不再使用一些古老的语言。有一种叫做印欧语的语言被认为是当今欧洲许多语言的一种祖先语言。但这是假设的，今天没有说印欧语的人。我想知道你是否会说你的过程有点像这样，除了分子而不是语言。

Kaçar (23:25)：非常相似。我们专注于生命的语言、氨基酸、DNA，以及它们如何以蛋白质的形式表达自己。然后我们尝试使用生命的语言——DNA和氨基酸，真正指的是基因及其产物、蛋白质——首先重建过去。这与语言学家所做的非常相似。虽然语言学家复活了古代语言，但他们这样做的目的也是试图了解使用古代语言的文化，他们是如何生存的，他们每天依赖什么工具，这与我们非常相似正在努力做。我们试图重构生命的语言，以了解生命的早期文化。

Strogatz (24:12)：让我们看看这里。你会得到关于这些类似于祖先语言的祖先分子的信息。详细介绍一下，比如你到底是做什么的？告诉我们一些你已经复活的分子，用你的精彩词来说，复活了。

Kaçar (24:27)：我们试图关注那些我们认为将它们的存在一直延伸到生命起源或至少第一次生命的分子。所以我们倾向于认为这些是必不可少的，非常古老的分子。如果我们今天所知道的所有生命都共享它们，我们假设它们一定存在，或者这些分子的一个版本也一定存在于数十亿年前。但现在，随着我们周围改进的计算、数学和进化模型，以及改进的序列可用性，我们可以尝试并且我们也这样做，以复活古老的 DNA 序列。我说的是数十亿年、数十亿年的基因序列。

所以这些不是来自永久冻土的古老DNA序列。这些推断的序列已有 3 到 35 亿年的历史。然后，一旦我们在计算机中做出预测，我们就会在实验室中合成这些基因。所以我们有点把它们带回到现在。我们问这些分子，好吧，告诉我们你自己，对吧？告诉我们你住在哪里。告诉我们你喜欢什么。

Strogatz (25:38)：嗯，你知道，我的意思是，很多人听到这个会想到侏罗纪公园。也许你有，人们问过你这个问题。

Kaçar (25:45)：这里的主要区别是我们不是在处理一个古老的有机体。但是——所以它有点相反，因为我们正在处理我们在现代有机体内部设计的一个片段。所以我们不以任何方式处理古代有机体或遗物。尤其是因为我们处理的分子已经运行了数十亿年，我们根本无法从岩石中提取保存不完好的 DNA。

Strogatz (26:13)：让我们更具体地了解一下分子。所以我记得，几年前，了解Carl Woese的工作，他在 1960 年代后期使用核糖体 RNA，这几乎是当今地球上的每一种生物——我的意思是，它是正确的，对?每个人都必须有核糖体吗？

Kaçar (26:30)：是的。顺便说一句，这不是很棒吗？

Strogatz (26:35)：是的，我们都有！细菌、人、大象、老鼠。

Kaçar (26:38)：是的，这绝对是令人着迷的，我们所有人，就像，一群有机计算机，随着这个处理中心四处走动，我们认为它是核糖体，它正在处理以以下形式提供给它的信息RNA，将这些信息转化为大多数时间有意义的——有意义的意义有用的——产品，然后被细胞的其他部分吸收，然后持续数十亿年。甚至有人可能会说，宇宙中可能没有任何生命形式没有类似的信息处理中心。像核糖体这样的东西必须是基础，是所有生命的普遍属性，无论它在哪里。

Strogatz (27:23)：我真的被你刚刚使用的这个词所震撼，一个短语，你说的是一台有机计算机。但是听得这么生动，核糖体是可以翻译的有机计算机——你知道，它们接受输入，一些信息分子，比如 RNA，然后它们产生输出，比如完成我们身体所需的一切的蛋白质。我喜欢这个比喻，或者那个类比。

Kaçar (27:46) 它是生命的主要内容之一，可能是第一个发明，它几乎是一场革命，很可能，因为它甚至可以催化从无生命到有生命的转变。然而，我们不知道这是怎么回事。那么，你明白为什么我们现在要研究早期生活了吗？这就是我所说的生命蓝图，这些发明，分子水平的革命，为数十亿年前我们今天所看到的奠定了基调。

因此，我们经历的每一个世代，以及我们所依赖的一切，我们的生物——作为生物系统，都依赖于数十亿年前发生的这些革命。核糖体可以被视为生活中解决问题能力的核心处理中心。它在 RNA 世界和复杂的细胞系统之间建立了一座很好的桥梁，因为它结合了 RNA，结合了依赖于 RNA 的酶，结合了蛋白质。所以它有一点我们认为在生命之初就存在的一切。

Strogatz (27:46)：如果我们确实在宇宙的其他地方找到了生命，你认为会有类似于核糖体的东西，类似的东西，你认为这可能是一个普遍的问题。它不一定是我们的，具有相同的化学性质。但是你认为一定有某种东西在地球上扮演核糖体所扮演的角色。

Kaçar (29:06)：我会这么认为。因为我认为一个有生命的系统，或者一个表现得像有生命的系统，或者栩栩如生的系统，它应该能够感知和处理它自己的环境。在化学层面上，我认为像翻译这样的东西——我喜欢我们称之为翻译，它真的将环境语言翻译成生活语言——必须是必要的组成部分之一。所以我认为，如果我们要在地球之外的其他地方找到生命，我会争辩说它可能会有类似核糖体的东西。

Strogatz (29:39)：我觉得我们仍然应该更具体地谈谈你的工作，即复活问题。比如，在你的工作中，你是否真的重建了祖先的核糖体 RNA？或者什么——告诉我什么分子，我什至不知道你说这个是什么意思。

Kaçar (29:56)：我的实验室很感兴趣——我们首先要了解，或者试图了解，生命是如何学会伸长的，以及在这个伸长步骤中起作用的蛋白质在数十亿年前做了什么。所以那是我的第一个——

Strogatz (30:10)：等一下。所以我们说的是延长一个，什么，一个DNA聚合物？还是RNA，还是什么？

Kaçar (30:16)：我们正在谈论氨基酸链是如何在离开核糖体时被拉长的。

Strogatz (30:22)：好的，好的，氨基酸链的延长。

Kaçar (30:25)：产品的伸长率。确切地。

Strogatz (30:27)：你是在检查，比如说，不同的细菌菌株，还是酵母？或者谁是你的——谁是你的有机体？

Kaçar (30:34)：所以我的有机体是细菌。我们实验室几乎所有东西都使用微生物。我当时是一名博士后，在美国宇航局天体生物学研究所工作。所以我读了很多斯蒂芬杰古尔德，看了很多——太多了——星际迷航，读了太多丹尼尔丹尼特的书，我想，好吧，好吧，也许，如果我们有这种方法论，首先作为一个想法，在 60 年代—— [Linus] Pauling和 [Emile] Zuckerkandl 提出的化学古遗传学​​，也许我们可以使用 DNA 和氨基酸作为重建早期生物体的一种方式——然后由合成生物学家实现在 90 年代，为什么我们不能使用微生物作为我们现在的宿主生物，不仅重建古老的 DNA 分子，而且在生物体内改造它们？再一次，然后通过使用现代生物作为宿主来复活它们？

Strogatz (31:29)：让我强调一下。我想我得到了——我想检查我是否和你在一起，我想我是。早期的研究人员谈到了推断步骤，试图想象这些祖先序列可能是什么样的，然后他们可以——假设当时的遗传密码与今天的相似——他们可以推断出这些肽会是什么翻译后的这些序列的结果。你的新东西是实际制作这些。你知道，再次假设遗传密码在很长一段时间内保持不变。你可以制造这些分子，你不必只考虑它们的序列是什么，你现在就可以真正制造它们。

Kaçar (32:04): Yes, make them and not only synthesize them, and analyze them outside of the cell, but also genetically modify the organisms with these ancient DNA molecules, to study the evolution of these genes in tandem with the organism over geologic time. The goal I had was perhaps we can combine synthetic biology, evolutionary biology, phylogenetic trees, and develop experimental systems to make an attempt to reconstruct these early steps.

Kaçar (32:36): Translation was screaming at us, really saying “study me!” because it’s so essential, so conserved. It’s the, sort of the MO [modus operandi] of every cell. And yet, we don’t understand how the early steps evolved. So instead of focusing on the ribosome, we started by focusing on the proteins around it that make this ribosome do its job. Because if you think about it, a ribosome is a little, like, diva, in a way, it’s sort of sitting on its throne. And all these other proteins, the shuttle proteins as we like to think of them, really enable its function. They’re obsessed with this core system. It’s almost like butterflies and moths flying into the light. They bring amino acids and just sort of serve this entire, you know, this macromolecule that we call a ribosome. And to me, understanding how that — as a behavior, emerges, it’s just such a challenging and important question. And that’s also what we will be pushing forward over the next decade. And I’m really excited about that.

Strogatz (33:38): So one of the things I find really intriguing about your work is that it seems like you’re not just watching how ancient genes and their products behave, but also some of the experiments that you’ve done have addressed the question of how they might have evolved over long periods of time. That is, I mean, it feels like it’s related to a thought experiment that Stephen Jay Gould once discussed, where he was imagining rewinding the tape of life and letting evolution play out again and again, and he sort of thought that the story of life would turn out different every time. How did you approach this question with actual experiments and what did you find?

Kaçar (34:15): The debate that Steve Jay Gould initiated in the literature with regards to replaying tape of life definitely fed a lot of the early experiments that I’ve done. Not only, we reconstructed early components of the translation machinery and engineered them inside bacteria, but I also set up an evolution experiment to then replay the evolution for this system that is presumably representing a fragment of billions of years into the past. And I thought that paleogenetics, resurrecting ancient DNA, inserting these ancient DNA inside modern systems, and then evolving these ancient DNA systems in the lab would perhaps be a way to realize this thought experiment of rewinding and replaying. That was the motivation.

And I also, of course, got inspired by the work of Rich Lenski , at Michigan State, that setin-laboratory evolution experiment decades ago , and is creating his own fossil record of microbes, by simply subjecting them to controlled reproduction and populating them every day for a really long time. It’s the same E. coli bacteria that I used to engineer ancient translation gene. And I followed this similar experimental evolution system to watch how bacteria that is now operating using an ancient translation protein, that it’s not happy, meaning it’s growing really slow, looks really sick, really unhealthy —

Strogatz (35:46): Really? So with the ancestral protein, it sort of looks inferior or sick. It’s messed up.

Kaçar (35:52): Oh, yeah, it messed up the organism that was — they needed each other, but they didn’t want each other. So, you know, it was like a very complicated relationship unfolding in front of me. What are you going to do? I mean, the organism needed the elongation factor, and the only one that it used is this one that we forced it to live with. And then to just watch how the two will communicate.

Strogatz (36:15): Wait, I want to hear more about this. So it’s like, it’s like you have some modern-day car, but you’re giving it an old, some junky old part from a long time ago or something?

Kaçar (36:24): Exactly. And essential, too. So we deleted any other copy that may be present in the genome — that’s the modern version way to present. And forced bacteria to survive only by using this particular ancient elongation protein. After this insertion — and the engineering was a little messed up — it grew almost twice as slow. And even the colonies were looking really messed up to me. But the amazing thing about experimental evolution, and what we saw, is that the organism was able to recover from the small function in a matter of just tens of generations. So the recovery was very rapid.

It made sense if you think about it because they need to, again, to get along. This is, this is not a game. This is a survival thing, and life needs to find a way, and life did. Then we spent really long years to understand how this solution came about and what mutations that bacteria accumulate to deal with this old problem.

Strogatz (37:30): Please tell us a little bit about where you’re heading next. I mean, it sounds like you’re starting to work on this multi-year project called MUSE. What is that all about?

Kaçar (37:38): We expand our studies now to understand how metals and elements play a role in early life. We obtained a pretty substantial grant from NASA. It’s a multimillion-dollar, multi-investigator, multi-year grant to explore particularly how molybdenum, iron, vanadium, and many other interesting metals factor in the emergence and evolution of metabolisms, and how such interactions impacted the rock record.

Strogatz (38:09): Fantastic. Congratulations on that. And thanks again for sharing all these interesting insights you have about origins of life and early life. It’s been a great pleasure talking to you.谢谢你。

Kaçar (38:20): Thank you so much for having me.

Announcer (38:26): If you like The Joy of Why , check out the Quanta Magazine Science Podcast , hosted by me, Susan Valot, one of the producers of this show. Also, tell your friends about this podcast and give us a like or follow where you listen. It helps people find The Joy of Why podcast.

Strogatz (41:05): The Joy of Why is a podcast from Quanta Magazine , an editorially independent publication supported by the Simons Foundation. Funding decisions by the Simons Foundation have no influence on the selection of topics, guests, or other editorial decisions in this podcast or in Quanta Magazine . The Joy of Why is produced by Susan Valot and Polly Stryker. Our editors are John Rennie and Thomas Lin, with support by Matt Carlstrom, Annie Melchor, and Leila Sloman. Our theme music was composed by Richie Johnson. Our logo is by Jackie King, and artwork for the episodes is by Michael Driver and Samuel Velasco. I’m your host, Steve Strogatz. If you have any questions or comments for us, please email us at [email protected]. Thanks for listening.