慕尼黑路德维希·马克西米利安大学（Ludwig Maximilians Universitaet，LMU）团队最近发现，运输RNA（tRNA）的微小变化使它们能够组装成功能单元，并以指数方式复制信息。tRNA是早期生命形式进化的关键单位。
我们都知道，生命是基于复杂的相互作用网络，这种网络发生在细胞的微观尺度上，涉及数千种不同的分子。在我们的身体里，每一个基本的反应过程每天都会重复无数次。在复制反应中，蛋白质复制核DNA分子中编码的遗传信息，然后在细胞分裂期间将它们平均分配给两个子细胞。这些信息被选择性地复制（即“转录”）到信使RNA（mRNAs）中，以指导相关细胞所需的各种不同蛋白质的合成。第二种类型的RNA，转运RNA（tRNA），在将mRNA“翻译”为蛋白质方面起着关键作用。转运RNA介导mRNAs和蛋白质之间：它们确保每个特定蛋白质中包含的氨基酸亚基，然后将相应的mRNAs按特定顺序排列在一起。
但是，地球生命系统的早期进化是如何实现DNA复制和mRNAs转化为蛋白质之间的复杂相互作用的呢？这是鸡和蛋问题的一个典型例子：蛋白质是基因信息转录所必需的，但它们的合成本身依赖于转录。
由迪特尔·布劳恩教授领导的LMU团队发现了这个难题是如何解决的。如果对现代tRNA分子结构的进行微小的改变，就能使它们自主地相互作用，形成一种复制模块，并以指数方式复制信息。这一发现意味着tRNAs是现代细胞进行转录和翻译的关键中介，也是早期生命系统中复制和翻译的关键纽带。所以，到底是遗传信息还是蛋白质，哪一个首先出现的这个问题，有了一个简单的解决方法。
值得注意的是，就序列和总体结构而言，tRNAs在所有三种类型的生命都有高度保守，即单细胞的古菌Archaea和细菌Bacteria(无细胞核)和真核生物(有细胞核)。这种高度保守性表明tRNAs是生命系统中最古老的分子之一。
生命进化的后续步骤，复制和翻译的进化，以及它们之间复杂作用关系，十分相似，都不是一步完成的结果。更好的解释是进化过程的顶点。迪特尔·布劳恩教授说：“自我复制、自催化、自组织和自我分隔等基本现象在这些发展过程中发挥了重要作用。”“从更普遍的意义上讲，这种物理和化学过程完全取决于提供非平衡条件的环境的可用性。”
在实验中，使用一组相互互补的DNA链，这些DNA链模仿了现代tRNAs的特征形式。每个互补DNA链由两个“发夹”组成(每条链可以与自身部分配对，形成一个拉长的环状结构，被称为“发夹”)，两个“发夹”的中间由一个信息序列隔开。八个互补DNA链链可以通过互补的碱基对相互作用，形成一个复合体。根据中心信息区域指定的配对不同，形成了相当于4位数字的二进制代码。
在复制过程中，互补链与模板链的序列相互配对。随着时间的推移，双链的相邻“发夹”相互匹配成对，形成稳定的骨架结构，而温度波动继续推动复制过程进行。如果温度持续上升一段时间，双链就会从新形成的稳定结构中分开，然后两者都可以在下一轮复制中充当模板链。
以上结果能够证明该系统具有指数复制的能力，这是一个重要的发现。它表明，复制机制对由于错误积累造成的崩溃有很强的抵抗力。事实上，复制复合体本身的结构类似于现代的tRNA，这就表明早期形式的tRNA可能参与了分子复制过程，而tRNA分子在将信使RNA序列转化为蛋白质之前就开始发挥作用，如现代的一样。Alexandra Kühnlein表示：“在早期进化的过程中，复制和翻译之间的这种联系可以为鸡与蛋的问题提供一个答案。” 此研究结果还能补充解释古tRNAs的特征形式，并阐明tRNAs在翻译中的作用。
随着生命起源和达尔文进化论的出现，在实验室水平上进行化学聚合物的研究，对生物技术的未来产生了重大影响。布劳恩教授总结说：“我们对早期分子复制形式的研究，以及我们发现复制和翻译之间的联系，使我们距离重建生命的起源更近了一步。”
Journal Reference：
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Alexandra Kühnlein, Simon A Lanzmich, Dieter Braun. tRNA sequences can assemble into a replicator. eLife, 2021; 10 DOI: 10.7554/eLife.63431
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