为命名在美国，了解导致第一批生物出现的化学过程是化学领域最有趣的难题之一。数十亿年前发生了什么，将简单的无机化合物转化为所有正在生长和进化的生命形式所共有的遗传物质?

在20世纪60年代，RNA在遗传信息传递中起着至关重要的作用，Orgel是第一个提出最早的“生命”实体可能完全基于RNA的人之一，这一理论后来被称为“RNA世界假说”。

这种自我复制的连接酶系统实际上符合美国宇航局对生命的定义

艾琳·陈，加州大学洛杉矶分校

写于1968年，他提出，在没有催化蛋白的帮助下，RNA分子可以创造自己的新版本，而催化蛋白在当代生物学中扮演着如此多的角色。如果是这样的话，这种RNA似乎也可以改变其环境的化学性质——为合成多肽和其他生命必需的化学物质提供了蓝图。

改变人生的经历

圣杯，Orgel在1995年写道，会在实验室里重复吗．关键在于找到一种大分子——RNA或其他大分子——能够以足够的速度和精度为自己的合成提供模板，从而以指数方式增长。但是仍然需要通过达尔文过程选择突变的空间。

的最早的例子这种不自然的化学进化是由索尔·斯皮格尔曼在1967年证明的。在一系列蛋白质催化实验中，他揭示了RNA分子群体可以在不同的试管环境下复制、进化和繁殖。

20世纪90年代中期，当奥格尔思考这个圣杯时，体外进化领域开始蓬勃发展。与此同时，核酶的发现为RNA世界的概念增加了分量，证实了RNA分子可以催化生化反应。核糖体结构的研究进一步证明了RNA在蛋白质合成中的关键作用。

“到1995年，还没有核糖体的晶体结构，但根据哈里·诺勒的工作，很明显核糖体的催化部分是RNA，”他说杰拉尔德·乔伊斯他是现代体外进化技术的先驱，在奥格尔索尔克研究所实验室完成了博士学位。“莱斯利称这是确凿的证据——确实存在一个RNA世界。也许不是从汤里出来的，但确实有一个。”

但是没有人发现一种能够在无辅助情况下进行复制的RNA单元。

收到

这种情况在2002年发生了改变。在斯克里普斯研究所工作的乔伊斯和他当时的博士后娜塔莎·保罗重新设计了核糖酶制造一种与母体完全相同的产品。乔伊斯说:“娜塔莎·保罗的论文很重要，因为它表明，原则上，这种分子可以自我复制。”这个相对简单的系统不能呈指数增长，但它证明了一个概念——RNA酶可以自我繁殖。

乔伊斯的实验室继续开发该系统，将核酶改造成一种交叉催化形式，使两个互补的核酶可以促进彼此的综合从四个底物分子中。最初的尝试是缓慢的，底物分子形成非反应性复合物的趋势阻止了指数增长。

下一个重大突破是乔伊斯的博士生特蕾西·林肯使用体外进化技术提高催化性能RNA酶。

“特蕾西的论文——人们称之为林肯复制因子——是我们第一次真正实现指数增长，”乔伊斯说。“此外，我们可以让种群在遗传的同时呈指数增长，但信息量非常有限。”

“(林肯和乔伊斯)创造的连接酶自我复制系统实际上符合美国宇航局对生命的工作定义——‘一个能够实现达尔文进化的自我维持的化学系统’，”他说艾琳陈他在加州大学洛杉矶分校(University of California, Los Angeles)的实验室将体外进化技术与高通量测序结合起来，绘制和预测进化化学系统的结果。

关键成功

奥格尔于2007年去世，比林肯的研究发表早了一年多。但乔伊斯一直是他的好朋友，当结果从实验室出来时，她就告诉了他。乔伊斯说:“他知道情况已经到了我们所说的危急关头。”“当我给他看的时候，他说:‘好吧，那就这样吧。那就这样吧。——意思是圣杯。”

但乔伊斯并不十分满意。虽然林肯复制因子可以呈指数增长，但下一步将是证明它可以进化。“我们是第一个说这还不够的人，它必须有创新能力。因此，它必须是某种开放式的、自我维持的、具有创造性的达尔文式进化，能够从进化机会中创造出新的功能。”

乔伊斯实验室最近的研究已经加快了RNA复制因子的放大速度，现在已经证明了核酶能够制造大功能分子．下一个挑战是提高准确性。

乔伊斯解释说:“我们有足够的效率，我们有区域特异性……这就形成了正确的联系。”“现在效率很高。这是普遍的序列，有一些序列会让它窒息，但这是普遍的序列，这将是开放式的进化。这都是关于忠诚。如果我们能将保真度从目前的97%提高到99-99.5%，那么它就会实现。”

混乱中的秩序

虽然RNA是第一种遗传物质的主要候选者，但它在早期地球上的出现仍然是一个问号。奥格尔和乔伊斯在1999年的文章中提出，在原始地球上形成寡核苷酸将是“近乎奇迹”的。

但就在林肯复制因子的结果公布三个月后，RNA世界的支持者又有了第二次重大的推动。约翰·萨瑟兰他在曼彻斯特大学(University of Manchester)的实验室展示了磷酸盐是如何做到的催化一系列的反应然后被整合到RNA构建单元中。乔伊斯说:“莱斯利在萨瑟兰去世前看过他最早的一些作品，真的认为这是一个很大的突破。”

六年后，萨瑟兰的实验室——现在位于剑桥的MRC分子生物学实验室——不仅揭示了核糖核苷酸，而且揭示了氨基酸和脂类用普通化学方法就能同时产生。在回答另一个大问题时，脂质的产生尤为重要:最初的复制系统可能是从哪里出现的?

有人认为RNA分子集中在矿物表面、多孔岩石或乳化液滴内部。另一种可能是RNA的进化发生在膜结合单元内。这种结构对研究人员有一种本能的吸引力，因为它们类似于生物系统，并为细胞生命提供了一条清晰的进化道路。

团结在一起

哈佛大学杰克·绍斯塔克，划分是必要的。如果没有它，rna催化的产物会简单地远离制造它们的核酶，而将它们留在附近支持达尔文过程所需的正反馈。

在过去的二十年里，绍斯塔克的小组研究了由两亲性脂肪酸制成的膜的原始细胞。重要的是，它们具有足够的渗透性，可以让底物分子进入，而不需要现代细胞中存在的复杂运输机制。他的团队还创造了含有rna的原始细胞，这些细胞显示出越来越类似生命的功能——包括成长与分裂,争夺基本的化学资源．

曾在绍斯塔克实验室工作过的陈说:“杰克对原始细胞模型的开发指向了一个系统，这个系统可能有一天会有足够的复杂性来实现开放式进化。”这些实验中使用的RNA分子相对简单，但它们模糊了合成化学和生物学之间的界限。

陈说:“我相信杰克和杰拉德在概念上的伟大贡献之一是将这一领域的努力集中在具体的实验模型上，特别是RNA和原始细胞。”“对生物学家来说，这些模型可能很简单，但它们的行为却令人惊讶地丰富多彩。”