Enhanced Fidelity and Sequence Generality of an RNA Polymerase Ribozyme

早在具有 DNA 和蛋白质的复杂生命出现之前，科学家们认为最初的生命系统完全是由一种叫做 RNA 的单一分子构建的。在这个被称为“RNA 世界”的古老时代，RNA 必须承担双重职责：它既要像蓝图一样携带遗传指令，又要像工厂工人一样作为机器进行自我复制。为了让生命得以生长和进化，这种 RNA 机器必须具有极高的精确度。如果它在复制自身指令时犯了太多错误，信息就会变得混乱且毫无用处，导致系统崩溃。然而，创造出一种能够高精度自我复制的 RNA 分子是一个巨大的挑战。虽然科学家此前已经工程化出了能够构建其他 RNA 链的 RNA 酶，但这些早期版本非常笨拙。它们只能复制简单的、无结构的序列，并且由于错误率过高，往往无法维持一个生命系统的运转。它们就像一台只能处理空白纸张或单行文本的复印机，一旦遇到复杂的文档或折叠成特定形状的文档，就会失效。

塞科研究所（The Salk Institute）的一个研究小组现在工程化出了一种能够克服这些局限性的新版 RNA 机器。通过对这种酶进行严格的试错过程，他们创造出了一种核酶（即 RNA 酶），能够以卓越的准确度复制复杂的、折叠的 RNA 链。这个被命名为 85h34 的新机器代表了一个显著的飞跃。它能够读取此前无法复制的困难模板，并且比其前身犯错更少。最重要的是，即使在化学环境变得不利的情况下，它也能完成这项工作，这种条件迫使机器必须更加谨慎。这一成就使科学家离创造一个可以自主进化的自复制系统又近了一步，从而为生命如何从简单的化学反应开始提供了某种窥见。

创造这一改进型机器的过程始于一种被称为 52-2 的前代 RNA 聚合酶。虽然这个早期的模型可以复制 RNA，但在准确性方面表现挣扎，尤其是在模板较长或具有复杂结构时。当它尝试复制一种名为 class I ligase 的特定 RNA 分子（该分子长 97 个单元）时，它犯下的错误多到导致生成的副本几乎完全无法使用。为了解决这个问题，研究人员决定给这种酶施加极端压力。他们设计了一个实验，在这个实验中，酶生存并繁殖的唯一途径是成功构建出一个功能完好的 class I ligase 副本。如果酶犯了错，副本将无法发挥功能，那么该版本的酶就会被丢弃。

研究人员进行了 33 轮额外的进化选择过程。在每一轮中，他们都增加了任务的难度。他们缩短了酶完成工作的限制时间，并且至关重要的一点是，他们降低了溶液中镁离子的浓度。镁离子充当化学反应的辅助者，但通过减少其含量，研究人员迫使酶工作得更高效、更细致。较低的镁浓度也让酶更难忽视错误，从而有效地惩罚了复制错误。在这 33 轮过程中，RNA 酶的种群发生了剧烈的变化。研究人员通过对每一阶段酶的遗传密码进行测序来追踪这些变化，观察不同突变群体（或支系）是如何兴起与衰落的。

数据揭示了一段复杂的竞争史。在过程初期，一组酶因为非常精确而占据了主导地位，但由于速度太慢，无法在缩短的时间限制内完成任务，最终走向了灭亡。随着压力的增加，另外两组原本数量稀少的群体开始蓬勃发展。一组提高了处理困难的、折叠模板的能力；而另一组则变得更擅长在低镁条件下保持速度和准确性。这两组携带了不同的有益突变，且这些突变在 RNA 序列上相距甚远，这使得它们几乎不可能通过随机重组自然地结合各自的最佳特性。为了解决这个问题，研究人员手动将两组的最佳特征组合成了一个单一的混合酶。

这个名为 85h34 的新混合体被证明是一个强大的动力源。它甚至在旧版本完全失败的条件下，也能高产量地合成复杂的 class I ligase。在测试多种 RNA 模板（包括具有困难序列和折叠结构的模板）时，85h34 的表现始终优于其前身。它能够复制包含长段难以读取序列的模板，甚至可以解开并复制那些会导致旧酶停滞不前的发卡环结构。或许最令人印象深刻的是，只要在溶液中加入分子拥挤剂（8% PEG8000），85h34 就能在镁浓度降至仅 10 毫摩尔的情况下保持工作能力，而这个浓度水平是此前任何 RNA 聚合酶核酶都无法胜任的。

这种新机器的准确性是通过计算其在复制过程中的错误次数来衡量的。在处理 class I ligase 时，旧的 52-2 酶每复制 100 个核苷酸大约会犯 14 次错误。相比之下，新的 85h34 酶在标准条件下每 100 个核苷酸仅犯约 6 次错误，而在低镁环境下，这个数字下降到了每 100 个核苷酸仅 5 次错误。这种改进源于两个方面：新酶能更好地挑选起始的正确构建模块，并且它能更好地在出错后停止继续执行。通过拒绝延伸有缺陷的副本，它防止了错误在最终产物中的累积。

这项工作的意义在于它所赋能的可能性。为了让生命进化，遗传信息必须以足够的保真度传递下来，以保留有用的特征，但同时也要具备足够的变异性以允许创新。85h34 聚合酶跨越了一个关键阈值，即它可以可靠地复制复杂的的功能性 RNA，而不会导致信息退化为无意义的片段。这意味着科学家现在可以使用这种酶来进化其他的 RNA 分子，从而创建一个 RNA 不仅可以自我复制，而且可以随时间自我改进的系统。研究人员指出，这种“引导启动”（bootstrapping）过程——即一个更好的复制机器创造出更好的副本——最终可能导致一个完全自进化的 RNA 系统。虽然论文并未声称创造了生命，但它构建了迄今为止最强大的 RNA 复制机器，为探索生命的化学起源和进化的基本原理提供了一个强有力的工具。