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一支來自慕尼黑大學的研究團隊證明了tRNA的微小改變能使得它們(men) 自組裝成一個(ge) 具有幾何倍數複製信息功能的單位。這說明tRNA是早期生命進化的關(guan) 鍵因素。

生命是在顯微尺度上各種錯綜複雜相互作用交織形成的網絡，數以千計的分子參與(yu) 其中。在我們(men) 的身體(ti) 裏，“複製”這一過程每天都在發生，各類蛋白質蛋白質將儲(chu) 存在DNA分子中的遺傳(chuan) 信息複製給細胞分裂形成的兩(liang) 個(ge) 子代細胞。遺傳(chuan) 信息隨後被選擇性複製（轉錄）轉移到被稱為(wei) 信使RNA（mRNA）分子中，mRNA則介導了不同細胞所需的不同蛋白質的合成。第二類RNA——轉運RNA（tRNA）——在將mRNA含有的遺傳(chuan) 信息“翻譯”成蛋白質的過程中扮演了重要角色。轉運RNA在mRNA與(yu) 蛋白質之間扮演了中間人的角色：它們(men) 確保了組成每個(ge) 特定蛋白質的氨基酸殘基按照mRNA編碼的順序排列在一起。

當生命最初進化的時候，如何在DNA複製和mRNA翻譯為(wei) 蛋白質之間產(chan) 生如此複雜的相互作用？這裏我們(men) 便碰到了先有雞還是先有蛋的問題：遺傳(chuan) 信息轉錄需要蛋白質的參與(yu) ，而蛋白質自身的合成又依賴於(yu) 基因轉錄。

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由慕尼黑大學的Dieter Braun教授帶領的物理學家團隊提出了解決(jue) 該難題的方案。他們(men) 的研究表明在現代的tRNA分子上進行微小改造可以使它們(men) 自發形成某種複製模塊，該模塊具備以幾何倍數複製信息的能力。這項發現意味著tRNA——在現代細胞中承擔轉錄與(yu) 翻譯的關(guan) 鍵中間人——也可以是早期生命連接複製與(yu) 翻譯的核心部分。因此，它可以為(wei) 遺傳(chuan) 信息或蛋白質哪一個(ge) 先出現這一問題提供一個(ge) 巧妙的解決(jue) 方案。

令人意外的是，從(cong) 序列和整體(ti) 結構來看，tRNA在單細胞的古細菌（Archaea）與(yu) 細菌（無真細胞核）和真核生物（Eukaryota，擁有核膜包被的細胞核）細胞中高度保守。這說明在生物圈內(nei) ，tRNA是最古老的分子之一。

如同生命進化後期一樣，複製與(yu) 翻譯的進化——與(yu) 其之間複雜的關(guan) 係——必然不是一步到位的。它更應被理解為(wei) 進化過程中的最高點。“基礎現象如自我複製，自催化，自我組織和分化應該在進化過程中扮演了重要角色，”Dieter Braun說道，“通俗地說，此類物理和化學過程完全取決(jue) 於(yu) 提供非平衡條件的環境的可獲得性。”

在他們(men) 的實驗中，Braun和他的同事們(men) 利用以現代tRNA的特征形式為(wei) 模板的互補DNA鏈。每一條鏈都由兩(liang) 個(ge) “發夾（hairpin）”組成（之所以稱為(wei) “發夾”，是因為(wei) 每條鏈可以與(yu) 自身部分配對並形成拉長的環結構），中間由一個(ge) 信息序列隔開。八條這樣的鏈就可以通過堿基互補相互作用形成一個(ge) 複合結構。根據中央信息區域指示的配對模式，此複合物能夠編碼4位數的二進製基因碼。

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每個(ge) 實驗開始前都會(hui) 有一個(ge) 模板——這是一個(ge) 由定義(yi) 二進製序列的兩(liang) 種類型中央信息序列組成的信息結構。該序列決(jue) 定了互補分子的形式，使得互補分子可以在可用鏈庫中相互作用。研究人員們(men) 進一步證明了模板化的二進製結構可以在一個(ge) 重複冷熱交替的環境中被重複複製，或者說，擴增。“由此可以推斷這樣一種複製機製可以出現在早期地球的耐熱微生物中。”Braun說道。具體(ti) 地說，海底多孔岩石中的水相環境為(wei) 這類反應循環提供了有利環境，因為(wei) 已知在這種情況下會(hui) 發生由對流產(chan) 生的自然溫度振蕩。

在複製過程中，互補鏈（從(cong) 分子庫中提取）與(yu) 模板鏈的信息鏈段配對。隨後，遠端的“發夾”也進行配對從(cong) 而形成穩定的支柱，同時，溫度振蕩持續驅動擴增過程。如果溫度在一段時間內(nei) 保持上升，那麽(me) 模板鏈便會(hui) 從(cong) 新複製的鏈上脫離，結果是兩(liang) 條鏈都可以成為(wei) 下一輪複製的模板鏈。

研究團隊成功證明了該係統可以進行指數式複製。這是一項十分重要的發現，因為(wei) 它證明了複製機製特別不容易由於(yu) 錯誤的累積而崩潰。事實上，複製複合物本身的結構就類似於(yu) 現代tRNA的事實表明，在tRNA分子成為(wei) 將信使RNA序列翻譯成蛋白質的現代角色之前，早期的tRNA可能已經參與(yu) 了分子複製過程。“這種在早期進化過程中出現在複製與(yu) 翻譯之間的連接可能可以解答雞與(yu) 蛋的問題。”Alexandra Kühnlein說道。它也可以解釋原始tRNA的特征形式，並闡明在選擇tRNA用於(yu) 翻譯之前的作用。

在化學聚合物層麵上關(guan) 於(yu) 生命起源和達爾文式進化的實驗室研究也對生物技術的未來產(chan) 生了影響。“我們(men) 對於(yu) 早期形式的分子複製和我們(men) 所發現的複製與(yu) 翻譯的聯係讓我們(men) 向重塑生命起源又邁進了一步。”Braun總結道。

翻譯：王東(dong) 嶽

審校：劉宇航

引進來源：慕尼黑大學

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