Computational modeling of an RNA-peptide world

生命起源的故事是科学界最持久的谜团之一，其核心在于一个根本性的难题：究竟是构建生命的指令先出现，还是构建指令的机器先出现？几十年来，许多科学家一直青睐“RNA世界”假说。这一观点认为，在像我们现在所知的细胞存在之前，曾存在一个更简单的时代，由一种单一类型的分子——RNA——承担所有必要任务。RNA的独特之处在于，它既可以像蓝图一样存储遗传信息，又可以像工具一样作为催化剂加速化学反应。现代细胞中也发现了这一古老时代的证据，即蛋白质制造工厂中最关键的部分仍然是由RNA构成的。然而，一个主要的问题依然存在。虽然RNA可以做很多事情，但与现代蛋白质酶相比，它通常显得笨拙且缓慢。它难以构建维持自身生存所需的那些基本构建模块，而从一个只有RNA的世界跨越到我们今天看到的复杂且高效的系统，这一过程似乎极其艰难。

为了探索生命可能如何跨越这一鸿沟，美国国家卫生研究院的一个研究小组转向了计算机模拟。他们构建了一个名为AMES（原子分子进化模拟器）的数字实验室，旨在观察分子随时间变化的过程。与其在试管中等待进化发生（这可能需要数百万年），他们创建了一个虚拟环境，让短小的、随机的RNA链可以在其中发生突变并为生存而竞争。在这个数字世界里，研究人员引入了一个新的变量：短小的、随机的氨基酸链，即多肽。在现实世界中，这些微小的多肽可以在没有任何指令的情况下自然形成。该团队想要观察，如果这些随机的多肽从一开始就存在并与进化的RNA相互作用，会发生什么。他们提出了一个简单的问题：这些随机的、无组织的肽是否能帮助RNA分子变得更加稳定并进化得更快，从而可能为复杂的生命机制奠定基础？

模拟结果令人震惊。当RNA分子在没有多肽的情况下独立进化时，它们会缓慢地演变成简单、可预测的形状，大多呈现为发卡结构。它们需要经过数百代的演变和多次突变才能达到稳定状态，耗时漫长。然而，当随机多肽被引入混合物中时，进化的步伐发生了戏剧性的变化。RNA分子达到稳定、功能性形状所需的时间大约是单独进化时的一半。多肽的存在起到了进化催化剂的作用，使RNA能够更快地站稳脚脚跟。研究人员观察到，多肽并不只是静止在那里；它们与RNA结合，稳定了那些在没有它们时会过于不稳定的结构。这种相互作用使RNA能够探索更广泛的形状，超越了简单的发卡结构，向更复杂、更多样化的形式迈进。

至关重要的是，研究表明这种伙伴关系并非单向的。在多肽存在环境下进化的RNA分子表现出一种天然倾向，即与多肽结合，即使这些多肽是完全陌生且随机的。事实上，与在孤立状态下进化的RNA相比，在多肽存在环境下进化的RNA更有可能与随机多肽形成稳定的复合物。这表明早期的RNA分子不仅是信息的被动载体，而且还在积极地调整自身以适应其化学环境。模拟显示，这些相互作用使得RNA能够在自身能量状态不利的情况下实现稳定。如果没有多肽，这些RNA结构会崩解；但有了多肽，它们就能保持稳固。这一发现支持了这样一种观点：生命的最初阶段可能不是一个纯粹的“RNA世界”，而是一个“RNA-多肽世界”，即这两类分子从一开始就在共同协作。

研究人员还发现，这种伙伴关系驱动了多样性。在没有多肽的模拟中，RNA分子往往会收敛于单一、简单的解决方案。但在有多肽存在的情况下，RNA分支出了许多不同的结构形式。多肽似乎放宽了通常迫使RNA形成单一、紧凑形状的严格规则，允许更多实验性和多样化的结构出现。这种多样化具有重要意义，因为它为进化提供了更广阔的舞台。如果生命始于RNA和随机多肽的混合体，那么多肽可以帮助RNA分子生存足够长的时间，从而发展出更复杂的功能，例如将氨基酸连接在一起制造蛋白质的能力。这一过程最终可能导致翻译系统的产生，即细胞今天用来根据RNA指令构建蛋白质的复杂机制。

尽管这些发现来自计算机模拟而非对古代生命的直接观察，但它们为一个长期存在的问题提供了引人入效的新视角。研究表明，从简单的化学汤到生命系统的转变，并不需要一个完美的、能自我复制的RNA分子凭空出现。相反，这可以是一个渐进的过程，即通过偶然形成的随机多肽来帮助稳定并加速RNA的进化。这种协作关系将允许RNA探索更广泛的活动范围和结构，最终导致了定义今日生命的精密系统。这项工作并未证明生命究竟是如何开始的，但它提供了一种合理的机制，解释了最初的步骤是如何迈出的，将一个困难的谜题转变成了一个关于分子间合作的、更易理解的故事。