互动科普

合成的自复制分子     

Julius Rebeck, Jr.

在实验室中精巧制得的一些分子能够复制其自身，“发生变异”，争夺原料和组装起来，从而提供了生命的范例。

设想一种喜欢其自身形状的分子，它得到一个其自身的复制物，它就会与其孪生兄弟巧妙配合，在一段时间内形成一个完整的实体。如果原始分子与它自己的各组成部分并存，那它就会把这些部分组装成另外的复制物。这一过程只要组分的提供维持下去就会不断地进行。

我的同事和我在麻省理工学院已经设计出这样的自组装分子并在实验室中将它们精巧地制作出来。我们的尝试是想要阐明生命可能出现的方式。很可能生命开始于分子出现能够复制其自身的时候。我们合成的有机分子，尽管它们是在生命系统之外运行，但仍有助于阐明自复制的某些基本原则。

模拟生命的尝试与35亿年前地球上生命的开始相比仍然非常年轻。没有人能毫无疑问地说出那时大气和地球的环境是怎样的或是哪种分子跨越了有机化学和生物学之间的临界边缘。

1953年那时还在芝加哥大学工作的Stanley L. Miller第一次作出了——或许不是第一次——重现这种过渡的尝试。他在一种由水、甲烷、氨和氢组成的混合物中——这是些据认为是在原始地球上存在的物质——通过使这些物质受到放电的作用而产生了氨基酸。James D. Watson(沃森)和Francis Crick(克里克)揭示出的DNA的结构——也是在1953年——更进一步支持了这一探索。

在当前的几十年期间，有关生命起源的最广泛使用的方法是在有点温热的水中合成DNA或RNA,既不是酸性的水也不是碱性的水，只加入那些推测是原始地球大气组成部分的试剂。像Miller和圣迭戈Salk生物研究所的Leslie E. Orgel这样的前生命化学方面的专业人员已在上述限制之下深入地探讨了分子复制作用。实际上，在活生物中每天都有无数公吨的DNA在许多种酶的监视下确实以这种方式被复制出来。

但是最新的发现表明原始地球或许并不像“温水池”例子那样环境适宜[见John Horgan所著“进化趋势：生命的起源”一文；《科学》1991年第六期]。这些怀疑之处，再结合发现了生活在(确实是)血液凝结温度下的生物或生活在洋底靠近含硫火山喷口处的生物，使科学家们认为生命可能是沿着某种很不相同的路线出现的。或许对那些具有活性的分子所必不可少的独待性质在Richard Dawkins所写的两本值得注意的书——《失明的钟表制造人》和《自私的基因》中得到了详细描述。尽管这两本书写于15年前，但是Dawkins的著述令人惊奇地预见出过去四年间我在自复制研究工作方面所得出的成果。

分子，不管是天然的还是合成的，当它们的形状和化学组成具有一种被称作互补性的特征时都能复制。依靠分子占据空间的方式以及分子所吸引的原子或原子团沿其支架分布的方式，一种分子就可以合适地装配在另一种分子的化学角和化学罅隙中。因此在两种互补分子之间的“吻合度”不仅取决于它们的空间结构，而且还取决于把它们结合成统一体的不同种类的化学健。这些统一体，即“复合体”（compeexes),在微秒或毫微秒的时间内就能迅速形成和分散——时间虽然很短，伹已长得足以发生化学反应。

结合成复合体的各种力比将原子结合成分子的共价键要弱许多倍。在复合体中重要的一类力称为氢键。这种键是在一个具有部分正电荷的氢原子被一个具有部分负电荷的例如氧原子所吸引时出现的。这类更概括的吸引作用称为极相互作用。

另一类力，范徳华力，更为微妙：如果一个分子中的一些电子处于适当的位置，那么它们就能把另一个分子中的一些电子推开，造成能导致吸引作用的电荷不平衡。还有第三类吸引作用是“芳族堆积”——当它们处在不适合自己的溶剂中时，平坦的芳族分子(这类分子常常具有令人愉快的气味，因而得名)有时采取的一种排列：这些分子通过彼此侧身移动，平面对平面地相接,可以将分子之间的所有溶剂分子挤出，从而达到一种更稳定的堆积构型。

一旦形成复合体，彼此相配的分子表面就会相对地受到保护。带破坏性的溶剂，溶解的酸、碱或氧化剂都无法接近它们。这时强有力的共价键就有时间将这些互补部分接合起来。有时，一个复合体中的三个分子有两个联结在一起，第三个分子只不过起着是这一过程容易进行的作用。

这样的结合产生了复制的一种较为通用的型式——这是DNA优先采用的复制型式。对该型式的一种简单描述，即使用了凹凸形状。凹形分子的表面——排列着适当的诱饵原子——能识别并包围其凸形的互补分子。而且，它还能起着一个模子的作用来将其组分组装成凸形分子。而凸形分子也能充当将凹形分子的组分收集并使它们联合的模板。这两种复制作用——每一分子形成另一种分子的作用——建立了一种被称为双循环的过程。我们最近的实验表明双循环可能是非常有效的。

还有另一个供选择的复制模式：复合体中的两个互补分子可能会在某一个并不在识别表面上的位点处结合起来。它们形成一个单独的分子，该分子的一端同另一端是互补的而且整个分子对其自身来说也是互补的。这种新的自互补分子的两端识别表面仍然可接受其它的分子。每一端所收集的东西与位于另一端者相同。

一旦收集起来，这两个新的组份就不能自由运动而且也不能一前一后地穿进空间移动；它们互相联结的几率大大增加。因此，这种互补实体就复制了它自身——并可以类似的方式复制许多份。不需要酶，因为该分子已能催化其自身的形成。    '

这就是我们在实验中用来制备能以使人联想到生命的那些相互起反应的分子的方法。这些分子中有些与遗传物质非常相似——特别是与称为腺嘌呤的核酸组分相似。腺嘌呤是扁平分子；除此之外，它们还含有能与其互补分子(称为酰亚胺)中的氧、氢原子形成氢键的氢原子和氧原子。我们的酰亚胺是由一种被称作肯普(Kemp)三元酸的驼背形分子构成的，这种三元酸的骨架以如下方式折叠，即大的凹形结构可以容易地由此骨架制成。因此这种酰亚胺是以具有一个弯曲附着在芳族堆积表面上的氢键键合位点为其特征的；这些完全适应于氢键键合位点和腺嘌呤的平坦堆积表面。

当腺嘌呤和酰亚胺在复合体中联合在一起时就成为共价连结，并形成一个自互补分子。我们为了使这种分子能自复制的早期尝试由于其意想不到的松驰而受挫。尽管某种程度柔韧性有助于分子识别——皮靴比木靴更容易穿上——但柔韧太大会使拟合很困难——你可以尝试一下不用手的帮助来穿上短袜。

分子如果具有一些单键(每个单键只涉及两个电子)就会变得松驰。这种单键使它所连结的部分彼此相互转动，从而形成许多不同的形状，当我来自纳米比亚的研究生Tjama Tjivikua通过共价键将腺嘌呤联结到酰亚胺之上时，他不得不与一个碳原子链打交道。这条链是如此之长并且是如此之柔韧以至于它形成的自互补结构本身都是对折起来的，就像一把折叠合拢的大折刀一样。和酰亚胺相配合的腺嘌呤是如此的适合以至于此自满分子不再与其它分子结合，更不用说复制了。

幸运的是.这种情况可以得到解决。补救措施就是引入一个更大并且更刚性的分子来代替单链以避免折叠。我们的选择是具有较大堆积表面的萘，用一种在两组分之间具有较小柔韧性的连系物(一种环状核糖基团)来加固。

这种新型的J形分子，腺嘌呤核糖萘酰亚胺(简称ARNI）为我们提供了第一个复制的实例。通过使用高性能液相色谱法来检测化学浓度的细微变化，Tjivitua和Pablo Ballester（一位来自马略卡的博士后访问学者）得出了结果。他们将ARNI在一种只含有其组分的溶液中的形成速率与加入某些ARNI时的形成速率相比较。ARNI的存在增大了形成速率，这是一个自复制系统存在的清楚证据。

人们如果用图解来描述一个反应随时间的进行情况，他们通常会得出一条呈斜置拋物线形状的曲线。当反应剂的浓度最高时，产物在开始时形成最快；随着反应剂的消耗，形成速率就逐渐下降，反应开始变慢。对于一个自动催化反应来说——自动催化反应是一种这样的反应，就像我们的ARNI—样，在反应中，产物能催化其自身的形成——出长曲线应呈S形。当产物出现并开始起着一种催化剂的作用时，反应又变快。结果形成一条向上的曲线。最终，随着物质的被消耗，反应戛然而止。

S形曲线曲率的度数取决于几个因素，最重要的因素就是自动催化阶段的效率。如果本底反应——在本底反应中组分自已结合，而不需得到自复制分子的帮助——太强，它就会淹没来自自复制过程的信号。1990年Giinther von Kiedrow-ski及其在哥廷根的合作者们指出，一种自复制的核酸能表现出这种S形生长方式——从而证实了自动催化的合成作用在此情况下比随机的合成更有效。

尽管ARNI并没有表现出S形增长的特性，但是我们接下来所合成的复合体ARBI却表现出这一特性。我们通过给ARBI—个稍微较长的堆积单体，用一种联二苯来代替萘，以降低本底反应的速率，这样我们就有了一种真正的合成自复制分子的证明。

它是活的吗？根据大多数现行定义来看还不是。我们的(或它的)批评者很快指出，作为一种生命形态,ARBI有着严重的局限性：该分子只能根据自身复制。为了能进化，一种自复制分子必须是能够“犯错误”的：偶尔能合成出或许可能是更好的复制单位的其它分子。与艺术批评者和音乐批评者不同,那些在科学领域内的批评者至少要能指出改进可能位于哪一个方向上。我们的反应是设计出能犯——实际上，是不会不犯——错误的分子。

在有机化学中，“错误”只是在反应伙伴之间缺少选择性时才会出现。我们需要一种分子，这种分子不仅能催化其自身的形成而且也能催化形成一种形状与之相似的分子。并且，形成的两种分子中至少要有一种必须能转化成一种更有效的复制单位。

一种分子可以很容易地被用来制造竞争者的复制物。要注入“演变”的能力需要另外的设计。在我们对一种溶液的研究过程中，我们在腺嘌呤的各氢键键合位点处引进某些更早期的研究结果。酰亚胺附着腺嘌呤上的方式有两种。它可以沿沃森-克里克边缘找到一个位点，这一边缘与DNA的复制有关，或者它可以与Hoogsteen边缘相对接，这个边缘在DNA中通常是暴露的区域（尽管有时该边缘是加入到像三股螺旋这样的奇异形态中)。

我们早已证明简单的腺嘌呤可以沿两个边缘的任一个附着在我们的酰亚胺上。例如，用连接着一个萘表面的酰亚胺形成了大约等量的沃森-克里克复合体和Hoogsteen复合体。但是如果腺嘌呤氨基（NH2）内的一个氢——与氢键键合有关——被一个更大的分子团所取代，那么情况就会发生变化。这个新的分子团以如下的方式定位，即是为了堵塞到沃森-克里克边缘的通路而使Hoogsteen边缘主要是开着的。例如，当一个小的甲基与腺嘌呤结合时，我们的合成酰亚胺受体中就有超过85%的部分是束缚在Hcogsteen边缘的。

我们决定利用发生在沃森-克里克边缘受到堵塞时的复制速率的变化。因此，我们准备了两种不同的腺嘌吟，一种含有苄氧羰基，即“Z”基(这是一种在蛋白质合成中通用的堵塞基团),而另一种则含有一个有着额外硝基的Z基：Z-N03。计划是这样的：一个受到改变的腺嘌呤和酰亚胺在从前的产物模板上组装起来。但是堵塞基团会在相当远离共价键形成场所的一些位点处摇晃地悬挂在该分子上。一端的Z基并不知道在另一端的堵塞基团是ZS还是Z-NO3；合成的发生应与这些基团的身份无关。

另外，沃森-克里克边缘的堵塞会限制对Hoogsteen边缘的氢键键合。因此，改变后的复制单位ZARBI和ZNARBI——分别由含Z基和Z-NO2的腺嘌呤制得——就会缓慢进行复制。在这种情況下，对堵塞基团的选择就变得很关键。尽管许多附着基团可以导致会犯错误的复制单位的形成，但是硝基(NO2)有些特殊。研究入员30年来就已明白，他们可以通过用一些特定波长的紫外光照射从而容易的将硝基除去。一旦Z-NO2被激发，沃森-克里克边缘就自由了。现在新的更轻的分子就可以既同Hoogsteeu边缘相结合也可与沃森-克里克边缘相结合了。从而使得过种复合体产生的效率就像我们所希望的那样为衍生出这种复合体的那些分子的两倍。

我们将我们的带有Z基或Z-NO3基的腺嘌呤用于我们目前的标准自复制试验中。当这些腺嘌呤与联二苯受体相接合以制备ZARBI和ZNARBI时，这些新的分子的活动确实像复制单位一样——尽管并不是公认的很有效的复制单位。这些复制单位用它犯错误的能力来补偿它们的笨拙。ZARBI可以催化其自身的形成并且还可以作为组装其竞争者ZNARBI的模板。后者作了回报，催化其自身的形成以及ZARBI的形成。

这时遇到了证实突变的化学型式的挑战，突变时永久的、可遗传的、影响有机体存活能力的结构变化——或者在我们的情况下是影响有机体类似物，即自复制分子的存活能力。分子复制单位的结构变化可能受温度、酸度、盐度或许多其它因素的变化所影响。我们选择用光来辐照。

我们首先将ZARBI和ZNARBI放在直接竞争繁殖资源的情况中。那时我的研究生Qing Feng和博士后研究者Jong-In, Hong让带有Z基和Z-no2基的腺嘌呤衍生物竞争有限量的互补联二苯受体。ZNARBI证明是一种稍微较好的复制单位。当所有的受体都用完以后，我们用具有350纳米波长的紫外光束照射反应容器。照射几个小时之后，Z-NO2堵塞基团全部从ZNARBI复制单位和腺嘌呤原料中除去。即是说,ZNARBI分子全部被转化成ARBI,而带有Z-NO2的腺嘌呤全部转化为筒单的腺嘌呤。—种“突变”发生了，这是由环境的变化所推动的。ZARBI和Z-腺嘌呤则未发生改变。

下一步我们再加入另外的联二苯受体。ZARBI发现辐照产物ARBI是它的竞争者。较柔滑的ARBI,具有既能以Hoogsteen方式又能以沃森-克里克方式复制的优点，因此ARBI很快就接收了系统中的所有资源。

可以将这项试验概述为一种筒单的进化解释。把ZARBI看成是这一序列的初始物；它的复制要求有Z-腺嘌呤和联二苯受体的存在。如果加入硝酸，则某些Z-腺嘌呤就会被耗尽以形成Z-NO2腺嘌呤；后者又会生成ZNARB。ZNARBI与其祖先ZARBI相比是一种更好的复制单位。当系统被照射时，会发生第二种变化。ZNARBI会转化成更简单且更有效的ARBI。这最后一种分子证明是三种复制单位中最佳的一种。

尽管突变被认为是大多数进化变更的推动力，但是变化的另一个重要范例是重组。两种染色体可以分离、交换DNA股并再接合,从而将它们的特征综合起来，某些计算机程序也试图“教会”信息股以解决问题。如果允许这些股分离并随机重组，那么它们很快就会产生好得多的问题解算机。突变允许单个的小变化；另一方面，重组又会形成与祖先很不相同的杂种。

我们对在分子水平上证实重组的兴趣使我的研制出一组全新的自复制分子。原理相同：两个互补分子用一个共价键连接得出一个能帮助其自身合成的自复制分子。Feng和另一位研究生Tae KWo Park据核酸的另一个组份胸腺嘧啶设计出一个复制系统。较早的一些时候Park已经研制出一种合成受体，它可以识别胸腺嘧啶的酰亚胺核并且还位于胸腺嘧啶的平坦芳族表面上。这种受体的特征是具有U形分子骨架。U形骨架的底部是一个称为咕吨的大的刚性芳族隔离物；U形的一个臂是胺，而另一个臂是二氨基三嗪，胸腺嘧啶的受体。当后两者由一个共价键相连时，就会产生一个自互补单元，它被称作diaminotria-zine xanthene thymiiie(二氨基三嗪咕吨胸腺嘧啶)，即DLXT。我们能够证明DLXT也是自复制的。

然后是安排重组实验的阶段。当以腺嘌呤为基础的复制单元和以胸腺嘧啶为基础的复制单元被放置在同一容器中时，它们能够将其组份改组成新的一些化合物吗？它们的确能够。即使这样，我们仍对结果表示惊奇。这些新的重组体之一，ART(adenine ribose thymine,腺嘌呤核糖胸腺嘧啶),是我们迄今所遇到的最丰产的复制单元,而另一种重组体DIXBI(diamino-tri-azine xanthene biphenyl imide，二氨基三嗪咕吨胸腺嘧啶联二苯酰亚胺根本不能复制——它是“不育的”。

复制能力的差异是如何产生的呢？ART复制单元的复制效率容易得到合理的说明。ART很像一个DNA片段，可能是现有的最佳复制单元。而且，其核糖片段使识别表面彼此平行，这是一种很有用的构型。这种构型以及腺嘌呤对其互补物胸腺嘧啶的高亲合力有利于一种易于组装的复合体的生成——这是复制过程的中间阶段。

DIXBI的复制无效性也可归因于其整个分子的形状。BIXBI由一个刚性联二苯隔离物连结的两个U形分子组成；其整体结构可以呈现为C型或S型。各识别表面在C型结构内是暴露的，这里没有足够的空间使—个能进行复制的复合体得以形成。在S形结构内各识别表面离得很远，以至于当一个复合体生成时，各反应片段彼此之间隔得太远而无法形成共价键。因此，即使DIXBI是自互补的，它仍然不能实现复制。

我们用这个实验得以证明，一个较小的组分库就可以产生复制单元的“系统树”。树的分支中有三支在自复制中有效，但有一支则消失了。把这一模拟再推进一下，它还可适用于被割断的不育分子，其割断部分已转化成有效复制单元能用来表示自身的一些片段。我们已在这一方向上取得了某些进步。这要求把比简单识別所允许的、更加积极地操纵其它分子的酸和碱安装到我们的分子上。

尽管使用合成分子来实现复制甚至进化是很有趣的，但是我们已注意到了将生命表达为一系列分子反应的下一步骤。与其他研究人员的看法一样，我们觉得生命的一个关键属性是界面：一个将内部和外部相分隔并阻止所需分子飘逸出去——同时又将不需要的分子隔开——的容器壁或细胞壁。

受天然形成的膜所启发.我们已朝这一目标迈出了最初的几小步。病毒将一个蛋白质壳作为容器；壳由个别蛋白质单位的许多相同的复制体构成。各单位也是自互补的——但各识别表面的取向使得它们可以自动组装成一个封闭的壳。的确，克里克曾推测个别蛋白质的许多相同复制体可能成了病毒的外壳，因为在病毒基因组中没有足够的信息使许多不同的分子卷入进来。

当我们使用自互补性作为我们的指导原则时，一个基于网球结构的最低限度的设计吸引了我们的注意。沿其缝合线切开，网球分成两个相同的部分，这两部分的凸形端与凹形的中间部分是互补的。瑞士的一名博士后研究者Rene Wyler已合成出一种模仿网球这两部分的形状同时又加入化学互补性的结构。这两个单位沿缝合线处用氢键结合在一起。

有着可靠的迹象表明一种较小的分子，例如一种溶剂氯仿分子，可以拟合在我们的网球分子内。但是它太小了以至装不下即使是我们最小的复制单位。我们现在与马德里自由大学的Javier de Mendoza合用研制出一种更大的分子——一种软球——这种分子可具有宽广得足以容纳我们某些复制单位的内部空间。

一旦我们解决了容器问题，提到分子生命议事日程上的最大障碍将是如下问题：我们的初出茅庐的有机体如何能够利用能量？是从太阳光还是从其它分子得到能量？复制单位及其容器的组分是如何得到不断补充的?这些问题是对下一个十年提出的挑战。无论这些问题是否得到解决，化学家们为解决这些问题所作出的努力无疑会对生命的有机化学有更深入的了解——生命是怎样出现的以及它是怎样不断地繁荣昌盛起来的。

[谌虹 译；石实 校]