科学家们在重建40亿年前的原始RNA世界方面迈出了一大步

斯克里普斯研究所(TSRI)的科学家向实验室重建“RNA世界”迈出了一大步，“RNA世界”通常被认为是基于DNA和蛋白质的现代生命形式。“自从40亿年前RNA世界末期以来，这可能是第一次用核酶[一种特殊的RNA酶]合成了这些复杂的RNA分子，”TSRI教授Gerald F. Joyce说。研究。本周在美国国家科学院院刊的在线早期版本中报道的这项研究结果表明，科学家已经成功地创造了一种核酶，它基本上可以用于扩增遗传信息和产生功能分子。

新的核酶可以有效地复制短长度的RNA并在甚至更长的RNA上进行转录，从而制造出具有复杂结构的功能性RNA分子 - 接近科学家想象的RNA复制子，这种复制子可以在现代生物学之前支持生命，其中蛋白质酶现在处理基因复制和转录。

迎接几十年的挑战

在这项新研究中，乔伊斯和TSRI研究助理David P. Horning开始使用试管进化技术来解决数十年来创造一种能够复制和转录RNA并因此支持RNA世界的酶的挑战。

该团队从20世纪90年代早期开始研究其他研究人员开发和改进的酶。已知的I类RNA聚合酶核酶可以执行RNA合成的基本任务 - 将RNA模板转录成功能性RNA分子 - 通过与RNA链结合并将其用作模板来完成将互补的RNA链缝合在一起。

但是核酶的先前形式在它们可以处理的RNA序列中非常有限，并且不能转录具有甚至中等复杂结构的RNA。由于这些限制，它们也不能完全复制RNA，这需要将互补链转录回原始拷贝。

Horning和Joyce利用了先前研究中描述的几项改进，然后添加了随机突变，以创建大约100万亿个不同分子变体的群体。模仿自然选择的进化过程，他们建立了一个系统，只分离可以合成的变体核酶 - 来自相应的RNA模板 - 两种不同且具有挑战性的RNA分子，它们具有混合序列和复杂结构，并且具有这种意义上的功能它们与特定的靶分子紧密结合。

“这些选择是基于这些新合成的RNA通过与靶标结合而实际发挥作用的能力，”霍宁说。“为了能够制造这些功能性RNA，核酶必须有效地发展成为它能够处理的RNA序列和结构的多样性。”

最佳表演者

经过二十多轮选择聚合酶核酶24-3后，表现最佳，不仅能够合成两种结合靶标的RNA，还能够合成自然界中存在的其他几种结构复杂的RNA分子 - 作为古代RNA世界的功能残余物 - 包括酵母形式的“转移RNA”分子，其在所有细胞中具有必需的蛋白质制造作用。

“我们发现新的核酶可以处理大多数序列，除了最困难的结构外，所以我们可以使用它来制造多种功能性RNA分子，”乔伊斯说。

即使在合成原始I类RNA聚合酶核酶可以处理的有限RNA序列时，核酶24-3也能够将它们拼接在一起，比它的祖先快100倍。

谈到更复杂的复制任务，TSRI研究人员发现核酶24-3可以复制多达二十二个核苷酸的RNA，实现生物学家所谓的“指数复制”，并在24小时内创建多达40,000个目标RNA拷贝。

因此，24-3核酶是第一个将RNA生命前蛋白质前DNA世界所必需的两种基本功能 - RNA合成和RNA复制 - 结合起来。

为了产生并维持一个真正的“RNA世界”，新核酶必须进一步改进，以便能够复制更长，更复杂的RNA分子 - 至关重要的是包括聚合酶核酶本身。Joyce实验室现在通过进一步的试管进化实验将其核酶推向该目标。

“一种能够实现指数扩增的聚合酶核酶将符合活着的标准，”乔伊斯说。“这是一个现在已经出现的峰会。”