Computational modeling of an RNA-peptide world
通过使用 AMES 计算模拟器，本研究证明了短随机肽类能够加速 RNA 的进化并稳定多样化的结构，从而支持了生命起源于“RNA-肽世界”的假设，即在生命最早阶段，非模板肽类便与 RNA 发生了相互作用。
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生命起源的故事是科学界最深奥的谜团之一，它提出了一个问题：最初的生命是如何从非生命的化学物质中涌现出来的。几十年来，领先的观点一直是“RNA世界”假说。这一假说认为，在细胞拥有DNA或蛋白质之前，一种被称为RNA的更简单的分子承担了所有的重任。RNA是一种多功能的化学物质，既可以像蓝图一样存储信息，也可以像机器一样作为加速化学反应的工具。如果生命始于RNA，那么那将是一个这些分子在没有任何蛋白质帮助的情况下，就能自我复制并构建复杂结构的领域。然而，这个想法遇到了障碍。虽然科学家们已经发现了能够执行某些任务的RNA分子，但与驱动现代细胞的蛋白质酶相比，它们通常显得缓慢且笨拙。此外，还存在一个逻辑上的死结：将RNA指令转化为蛋白质的复杂系统似乎过于精巧，以至于不可能一次性进化完成，然而蛋白质又是让RNA机制发挥作用所必需的。
为了解开这个死结，美国国家卫生研究院的一个研究小组转向了另一种可能性。他们想知道，生命的早期阶段是否不仅仅是一个“RNA世界”，而是一个“RNA-肽世界”。肽是氨基酸的短链，即蛋白质的构建模块。这些链可以在模拟早期地球的条件下自发形成，远在生命存在之前。研究人员提出了一个简单的问题：如果这些随机的短肽从一开始就与不断进化的RNA分子发生相互作用，情况会怎样？与其等待一个完美的蛋白质制造机器进化出来，或许这些微小的肽可以作为“助手”，稳定RNA结构并帮助其更快地进化。为了测试这一点，科学家们构建了一个计算机模拟实验，这是一个数字实验室，他们可以在其中快进观察进化过程，观察RNA分子在单独存在时与在被随机肽组成的“汤”中进化时，其变化有何不同。
研究人员使用了一种名为AMES（原子级分子进化模拟器）的强大新工具。该程序不仅是猜测分子的形状，而是利用先进的人工智能逐个原子地构建分子，并预测它们的折叠和相互作用方式。在模拟中，他们从一百条随机的RNA链开始，每条链长约十八个单位。他们让这些链经过一千代的突变和进化，筛选出那些能形成最稳定结构的序列。他们运行了两类实验。在第一类中，RNA分子在隔离状态下进化，仅在彼此之间竞争。在第二类中，RNA分子在不断变化的短肽池中进化，这些肽的长度在三到五个氨基酸之间。至关重要的是，这些肽并没有固定的序列；它们在每一步都是随机化的，这模拟了一个在尚未产生特定蛋白质的混沌原始环境。
结果令人震惊。当RNA分子单独进化时，它们需要很长时间才能找到稳定的形状。它们平均需要438代才能稳定下来，即便如此，它们也大多只能形成简单的、可预测的形状，比如发卡结构（hairpins）。发卡结构是RNA链向自身折叠形成的简单环状结构，但并不复杂。然而，当引入随机肽后，进化的步伐发生了剧烈变化。RNA分子平均仅用215代就达到了稳定状态——不到单独进化所需时间的一半。肽的存在起到了进化的催化剂作用，使RNA能够更快地找到稳定的形态。
这不仅仅关乎速度，肽还改变了结构的质量。在肽的帮助下进化的RNA分子不仅仅形成了简单的发卡结构。它们开发出了更多样化且复杂的形状，通常带有在没有肽的情况下会不稳定的凸起和不规则环。肽就像脚手架一样，支撑着这些尴尬且具有能量性的形状。事实上，研究人员发现，如果在移除肽的情况下，在肽存在环境下进化的RNA分子实际上变得不再稳定。它们已经变得依赖肽来维持其结构。这表明肽不仅仅是消极的旁观者，而是积极的参与者，允许RNA探索比其自身能找到的范围更广泛的形状。
模拟还显示，这些不断进化的RNA分子开发出了一种特殊能力。它们变得更擅长抓取随机肽。当研究人员用一组全新的随机肽测试最终的RNA链时，那些在肽存在环境下进化的RNA表现出了更强的结合倾向。这种结合并不针对某一个特定的肽序列；相反，RNA进化出了一种通用的结合肽的能力。这是迈向生命起源的关键一步。如果RNA能够自然地吸引并抓住肽，这最终可能会导致核糖体的进化，核糖体是我们细胞中构建蛋白质的复杂机器。核糖体的核心是由RNA组成的，也是组装蛋白质的地方。模拟表明，迈向这台机器的第一步，可能就是简单的RNA分子学习如何与短的、随机的肽协同工作。
研究人员谨慎地指出，这只是一个计算机模拟，而非对古代历史的直接观察。他们并没有证明这正是生命开始的精确方式，但他们展示了这是一个合理且强大的情景。模拟证明，RNA与肽之间的相互作用可以解决生命起源中的一个重大问题：如何让复杂的、具有功能的分子进化得足够快，从而启动生物学过程。通过稳定多种形状的RNA并加速其进化，这些短肽可以为从简单的RNA世界向我们今天看到的复杂的、基于蛋白质的生命过渡提供缺失的一环。这项研究表明，生命的早期阶段很可能是一种伙伴关系，是一个由RNA和肽共同协作，为后续一切奠定基础的动态世界。
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