Science：生命的力量

Jack Szostak正在調配地球早期起源生命的那一碗“原始肉湯”

　　Jack Szostak正一步一個腳印、堅實地朝著自己的科研目標前進，他要在自己的實驗室里人工合成出一個活細胞。

　　Jack Szostak知道他也許永遠也實現不了他的終極科學夢想了。然而，用英國劍橋醫學研究所分子生物學實驗室(Medical Research Council’s Laboratory of Molecular Biology in Cambridge, U.K)的有機化學家John Sutherland的話來說，只要Szostak愿意努力完成他夢想清單上排名第二的工作，那也足以成為科學史上最偉大的科學成就了。這個“老二”作為備選也是一個不錯的選擇。

　　Szostak是美國哈佛大學(Harvard University)和美國麻省綜合醫院(Massachusetts General Hospital in Boston)的分子生物學家，他已經成功地完成了好幾個非常轟動的科研工作。2009年，Szostak就因為在端粒酶(telomere)方面的杰出工作獲得了諾貝爾醫學及生理學獎。端粒酶就是位于染色體末端的一個結構，它能夠在細胞分裂時發揮保護作用。十幾年之前，Szostak將他們實驗室的研究方向轉向了研究地球生命起源問題上。他非常想知道40億年前誕生生命的“原始肉湯(primordial soup)”的具體成分是什么。可以肯定的是，這份肉湯的配方肯定是找不到了。“我們又沒有時光機，也不能回去親自看一下這肉湯到底是什么樣的。” Szostak打趣說道。

　　于是在他的科研夢想清單上就有了這個排名第二的項目——自己調配一份原始肉湯，看看能不能從中誕生生命。是否可以讓這些小分子自動組裝出基因，并且不斷復制，重現達爾文進化論里描述的生命最初的景象。即在他的實驗室里重現生命起源的過程。

　　Szostak也承認，即便能夠在實驗室里重現這一切，也不能代表這就是生命起源的真正過程，但這項工作至少能夠告訴我們化學是如何轉化成生物學的。他認為如果他們可以在實驗室里重復這一切，那么至少對他自己來說，就可以了解生命是如何起源的。

　　這可是一個非常大的假設。不過Szostak和他之前的研究生，現在在美國麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology in Cambridge)做博士后的Katarzyna Adamal在這個方向上已經取得了非常大的進展。他們倆第一次做出了一份能夠讓RNA在原始細胞(protocell)里復制的肉湯。“這還不能算是在實驗室里創造出了生命，但是其他從事生命起源研究的科研人員們都非常關注這個成果。你永遠不可能超過Jack，他有一個科研嗅覺非常敏銳的大鼻子，總能知道該往哪個方向走。”美國加利福尼亞州圣地亞哥市Scripps研究所(Scripps Research Institute in San Diego, California)專門從事生命起源研究的化學家Gerald Joyce這樣評價道。

　　不過這種含有RNA的原始細胞不能重現達爾文的進化論，所以Szostak認為還有8大問題需要解決。他們實驗室已經解決了其中的3個問題，同時另外3個問題也快找到解決辦法了，也就是說目前只剩下兩個問題還沒有得到解決。“這讓人十分激動，我們就快要成功了!” Szostak這樣說道。他也不是唯一一個有這種想法的人。Szostak之前的一個博士后，現在在英國倫敦大學學院(University College London)建立了自己實驗室的Matthew Powner也認為：“如果在我的職業生涯中沒能成功解決這些問題，我會感到非常意外。因為，勝利就在眼前，意義無比重大。”

　　初期階段的狀況

　　說到Szostak關注的生命起源這個問題，這其實是人類歷史上第二大的一個問題，僅次于宇宙起源問題。近一千年來，生命起源問題一直是哲學、神學和各種煉丹術士們關注的問題。直到20世紀中期，研究人員發現了DNA和RNA的結構，以及這些核酸分子在整個中心法則里的地位(編碼蛋白質的作用)之后，科學家們才開始真正涉足這個領域，用系統的方法研究生命起源問題。經過了一系列的科學實驗，科學家們陸續發現，比較簡單的小分子化合物在特定的條件下(地球誕生初期的環境)是可以合成出構建生命體的基本“材料”——氨基酸和核酸的。當時的工作取得了很多成果，進展得非常順利，以至于整個科研界也都非常樂觀，比如當時美國的生物學家Colin Pittendrigh就曾經在1967年預測說：“我們估計在十年之內，就可以在實驗室里人工造出一個活細胞。”

　　可是后面的事情卻并不像大家預計的那么順利。科學家們逐漸意識到只合成出構成生命的原始材料是遠遠不夠的，他們還需要知道這些原材料是如何組裝起來的，又是如何一步一步演變成今天地球上如此精妙的生物細胞的。簡而言之，掌握了配方是不足以重建生命的，還需要相應的分子“廚具”。到了20世紀60年代末，Francis Crick、Carl Woese以及Leslie Orgel這三位生物學家各自提出，RNA可能在生命起源過程中發揮了兩種作用。這就是后來廣為人知的“RNA世界(RNA World)”假說，該理論認為早在DNA誕生以前，RNA就已經存在于這個地球上了。RNA不僅能夠催化自我復制，還能夠幫助生命誕生。其他人則認為，RNA不足以擔當這個重擔，他們提出了自己的想法，比如“肽世界(peptide world)”、“脂質世界(lipid world)”、“代謝組學世界(metabolism first)”等。于是在各種有關生命起源的大會上總是能看到吵成一片的熱鬧景象。Sutherland就介紹道：“大家打得你死我活的，可沒人知道究竟應該如何解決這個問題。”

　　縱觀歷史，也許答案非常簡單，很多人認為這(生命)就是上帝的創造。可是Szostak并不太喜歡這種把問題歸結為超自然力量的解決方式，他對“超自然”的理解要比我們更寬泛。他說道：“有很多自然現象大家都愿意相信是神跡，可我就非常愿意用科學的方法去解釋這些問題。”不過Szostak堅稱他自己不是哲學家，他只是愿意在實驗室里用試驗的方法解決問題罷了。

　　Szostak這一輩子都是一個實干型的人。他的父親是一名航空工程師，母親干過很多份工作，Szostak是家里的老大，從小在加拿大渥太華和蒙特利爾長大。在Szostak還很小的時候，他的父母就經常帶他去教堂和主日學校(Sunday school)，不過他們并不是虔誠的教徒。“在我12歲的那一年，我暗暗發誓，我再也不去了。”Szostak回憶道，而且他的父母看起來好像也有一種如釋重負的感覺。

　　青少年時期，Szostak開始對化學產生了濃厚的興趣。她的母親有一陣在一家化學公司做圖書管理員，于是總是有機會給 Szostak帶回家一些實驗室里的化學試劑。Szostak就這樣開始了他的化學實驗，“雖然我身上留下了不少疤，好在我還沒有缺胳膊少腿。” Szostak笑著說道。

　　Szostak于1972年畢業于加拿大麥吉爾大學(McGill University in Montreal)，隨后就來到美國康奈爾大學(Cornell University)，和生物學家Ray Wu一起工作。當時Wu的實驗室正在全力合成DNA片段，希望用這些DNA片段去檢測mRNA分子，而且當時世界上有好幾個實驗室都在開展這項工作，大家競爭非常激烈。可惜的是，Wu的實驗室在競爭中敗下陣來，比英國生物學家Michael Smith晚了好幾個月。Szostak也沒有再接著干這項工作了。

　　在擁有了自己的實驗室之后，Szostak迅速投入到了新興的遺傳學研究領域。他幫助開發了酵母人工染色體(yeast artificial chromosome)技術，這項技術后來被廣泛應用于基因鑒定、克隆和遺傳學改造等工作當中。Szostak也發現了端粒序列，并闡明了端粒與細胞分裂、細胞老化、遺傳性疾病以及腫瘤等多種生理、病理現象之間的關系。

　　Szostak的成功也讓其他科研人員對端粒產生了興趣，以至于端粒研究變得越來越熱，“這個時候我覺得，是不是應該找點別的東西干干了。” Szostak說道。于是他又找到了一個新目標，那就是1989年諾貝爾獎得主，美國科羅拉多大學波德分校(University of Colorado, Boulder)的Thomas Cech和美國耶魯大學(Yale University)的Sidney Altman開展的工作。在20世紀80年代初期，Cech和Altman發現RNA不僅能夠起到遺傳信使的作用，也能夠起到催化劑的作用，催化一些化學反應。由于之前一直都認為催化功能是蛋白質的特權，所以這個發現極大地支持了“RNA世界”生命起源假說。

　　到了20世紀90年代初，Szostak的實驗室已經徹底轉到了研究RNA催化問題，也就是所謂的“核酶(ribozymes)”這個方向上。他們實驗室開發出了一種在實驗室里人工誘導新核酶生成的方法，即所謂的“離體篩選(in vitro selection)”技術(Scripps 研究所的Joyce也開展了類似的工作)。1995年，Szostak和他之前的學生Eric Ekland和David Bartel利用這項技術成功獲得了第一個人工RNA核酶，該核酶能夠催化將兩個RNA片段連接在一起的反應。一年之后，Ekland和Bartel宣布他們又發現了一種能夠起到RNA聚合酶(RNA polymerase)作用的RNA核酶，活體細胞里的這種RNA核酶可以催化形成新的RNA鏈。

　　越來越多的證據表明，RNA是一個多面手，能夠起到很多之前被認為只有DNA或者是蛋白質才能夠起到的作用。到了2000年，耶魯大學的科學家們發現，核糖體的催化核心其實也是RNA核酶。這更進一步夯實了生命起源“RNA世界”假說的基礎，提示我們在生命誕生之初，地球上就是RNA的世界，后來才慢慢進化出了在化學性質上更有優勢的蛋白質。

　　Szostak慢慢發現自己也深陷RNA世界里不能自拔了。不過他也意識到，這個假說也有其自身的問題。“RNA帶了很多‘包袱’。” Szostak介紹說。比如RNA是一個非常脆弱的分子，它又如何能夠抵抗地球初期那種惡劣的自然環境呢?科學家們還需要解釋長鏈RNA分子在細胞復制周期中是如何形成、如何復制、如何分離、又是如何被分配到子代細胞當中的。

　　更基礎的問題是，沒人知道在一大碗溫熱的礦物質“肉湯”里漂著的RNA分子是如何演變出各種不同的變異體的，比如復制得更快或更慢的RNA分子等，用這種方式篩選出能夠更好地適應生存環境的“強者”。也就是說沒人知道RNA的自然進化史。

　　集百家之長

　　Szostak在和多位從事生命起源研究的科研人員進行了深入的交流之后逐漸意識到，僅僅依靠RNA這一種分子是不能夠形成生命的。不同的分子需要各自區分開來，并且被限定在一定的區域里。可能也需要一些細胞膜，這些成分的作用都是收集、濃縮生命所需的各種物質和成分，促進達爾文進化作用發生。“如果在化學上有所區分，你就能夠將源自同一個祖先的分子歸集到一起。” Szostak解釋道。如果形成了一個含有RNA分子的原型細胞，而且這種細胞不論是生長還是分裂都要比其它細胞更有優勢，那么它就能夠勝出。這就是達爾文的進化論。

　　Szostak接著介紹道：“我意識到我還從來沒有接觸過與細胞膜相關的工作呢。也許該試試這個了。” Szostak也知道，原型細胞的細胞膜肯定與現代細胞有很大的不同。現代細胞的細胞膜就是磷脂雙分子層結構的細胞膜，氨基酸、核酸這些生命必須成分是不能夠透過這種細胞膜的。如果細胞膜上沒有蛋白質構成的各種孔道，那么細胞生存所需的營養素就不能夠進入細胞內，同時細胞產生的各種廢物也不能被排出到細胞外。

　　Szostak和他的學生們想到了另外一種細胞膜。他們發現非常簡單的脂肪酸分子能夠形成通透性很高的、細胞樣的球形結構，各種離子、氨基酸和核酸都能夠自由地透過這種脂肪酸細胞膜。

　　2008 年，Szostak的課題組發表了一篇文章，他們發現RNA分子以及各種構成生命的分子都可以進入這種球形細胞，形成不斷延伸的RNA鏈，到最后形成的 RNA鏈會變得非常長，以至于不能夠透過細胞膜再離開細胞。一年之后，Szostak和他的研究生Ting Zhu發現，如果在成分中額外加入脂肪酸分子，會促進原形細胞生長。諸如這些原型細胞在流經火山出口那種溫熱溫泉水時會遭受的、較輕微的剪切力，都會對這種球形細胞造成壓力，迫使其分裂，細胞內的RNA也會被隨機分配到新形成的子代細胞當中。另外一篇文章則發現，RNA或者肽段的催化作用會加速脂肪酸分子摻入原型細胞的速度，促進細胞生長。雖然這些研究都比較粗糙，但是似乎可以證明脂肪酸也參與了生命起源的過程。

　　那么RNA的作用呢?Szostak以及其他人的實驗室都發現，只要配方正確，RNA分子就能夠與姐妹模板鏈結合進行復制，而不需要現在細胞里必需的RNA聚合酶。這可是一個好消息，但是這一過程還沒有在原型細胞里得到驗證。

　　最大的問題就是，如果不借助RNA聚合酶，那么在RNA復制過程中所需要的最重要的成分——鎂離子的問題。如果缺乏鎂離子，這個復制反應的速度就會變得非常慢，很難想象在生命起源過程中的反應速度會這么慢。但是鎂離子也有它的弊病。它們會使脂肪酸原型細胞破裂，而且也會使RNA鏈分解，其分解速度甚至與合成速度一樣快。

　　Adamala表示她曾經嘗試過數百種不同的化合物，以及短肽，可是沒有一種奏效。“這真的讓人很受打擊。”她這樣說道。不過后來她又嘗試了螯合劑(chelators)這種金屬結合化合物，結果她成功了。Adamala和Szostak最近發表論文稱，他們往配方里加入了一點檸檬酸(citric acid)的衍生物檸檬酸鹽(citrate)，然后就得到了非常漂亮的結果。這些檸檬酸鹽與鎂離子緊緊地結合在一起，不讓鎂離子自由活動，這樣就不能夠破壞RNA和脂肪酸細胞膜了，可是卻又不會影響鎂離子的RNA聚合酶功能。

　　“這是一篇非常棒的論文。” Sutherland看過之后這樣評價道。他還介紹說，檸檬酸鹽是一種很神奇的溶液。它們在現代細胞里也起到了很多非常重要的代謝作用，這說明檸檬酸鹽可能就是細胞里的活化石。

　　Sutherland還認為，現在各種有關原型細胞的難題似乎全都湊在一塊了，這一點也非常重要。他說道：“生命起源究竟是RNA起源、肽段起源還是脂質起源，這都不是最重要的問題。所有這些分子協同合作才能有今天的生命。”美國華盛頓Carnegie科學研究所(Carnegie Institution for Science in Washington, D.C)的有機地球化學家George Cody也非常贊同這個觀點，他說道：“在最開始，這些分子都應該發揮作用。”

　　Szostak也介紹說，他們實驗室接下來準備解決兩個大問題。他們要解決RNA堿基如何被活化，連接到新生RNA鏈上的問題。他們還需要解決RNA鏈是如何在缺少起始模板鏈的情況下開始復制的這個問題。 Sutherland認為這兩個問題應該都能夠解決，他說道：“我們沒有理由失敗(不能在實驗室里合成出一個可復制的細胞)。”

　　即使 Szostak的試驗成功了，還是有很多問題沒能得到解決。Scripps研究所的有機化學家Ramanarayanan Krishnamurthy就認為，其中就包括RNA核苷酸分子以及其它一些構成原型細胞的分子和成分是通過怎樣的生物前(prebiotic)步驟誕生的?我們也不清楚一個在實驗室里合成的可進化的原型細胞是否有其他的科學意義。Krishnamurthy說道：“用今天的實驗結果來推測40億年以前的情況還是太冒險了。”

　　不過Szostak認為這些都不是問題。他認為，這種細胞可以幫助我們確定組成一個可以自我復制的系統最少都需要哪些成分。Sutherland則把這個問題比喻成“小強填字”游戲。只要你開始動筆，后面就容易了。而且這對于不相信神創論的人來說也是一個不錯的解釋。