从无序到有序：通过空间拉链形成实现自我分类的自我复制子的进化 —— 迈向非生物系统达尔文进化的关键一步

为解决如何在合成化学系统中实现达尔文进化这一问题，研究人员开展了关于自我复制子（Self-replicators）通过空间拉链（steric zipper）形成进行自我分类进化的研究。结果发现非共价相互作用可使自我复制子占据特定结构空间并在选择压力下进化，这为将达尔文进化扩展到非生物系统迈出关键一步。

　　在科学探索的奇妙旅程中，化学与生物学之间的神秘界限一直吸引着无数科研人员的目光。“如何将化学转变为生物学” 成为当代科学面临的重大挑战之一，而达尔文进化在这一转变过程中极有可能扮演着举足轻重的角色。自我复制分子作为进化作用的潜在对象，自 1986 年首次被报道以来，众多不同类型的合成自我复制分子不断涌现。然而，让这些自我复制分子实现达尔文进化却困难重重。

实现自我复制子的达尔文进化需要满足多个条件。首先，系统要能够接触到包含多种可遗传状态的结构空间，这意味着自我复制分子应具有不同的结构，可由多种构建模块组合而成。但在以往大多数研究中，自我复制子仅由特定的构建模块组成，只能形成单一产物，无法为进化提供多样的可能性。其次，当系统获得更大的复制子空间时，这一空间应部分被占据，理想情况下是稀疏占据。因为若构建模块随机掺入复制子，在大多数条件下会导致所有可能结构同时出现，不利于进化的发生。最后，复制子需通过突变和选择进入剩余的结构空间，不过目前具备突变能力的自我复制系统报道较少，且能实现非随机突变的实例更是稀缺。

为了攻克这些难题，来自荷兰格罗宁根大学（University of Groningen）系统化学中心（Center for Systems Chemistry）的 Marcel J. Eleveld、Juntian Wu、Kai Liu 等研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Chem》杂志上，为该领域带来了新的曙光。

研究人员在实验中运用了多种关键技术方法。通过制备动态组合库（DCL），将两种构建模块混合并氧化，使其在特定条件下形成自我复制子。利用超高效液相色谱（UPLC）和液相色谱 - 质谱联用（LC-MS）技术对反应过程进行实时监测，分析不同时间点复制子的组成和含量变化。借助透射电子显微镜（TEM）观察复制子的聚集形态，使用固相核磁共振（NMR）技术探究复制子的结构特征。

选择性占据复制子空间

研究人员希望构建一个仅部分潜在复制子被占据的系统，以实现从众多可能性中选择性形成特定序列。他们基于之前的研究，选择了两种结构不同的构建模块 1 和 2。构建模块 1 是常用的产生自我复制子的可靠候选物，构建模块 2 具有与 1 相同的二硫醇芳香核心，但五肽链中亲水和疏水残基的排列不同。

实验发现，单独的构建模块 2 在氧化后会形成六聚体26，并在动态组合库中占据主导。将 1 和 2 混合构建动态组合库后，起初 1 - 富集的六聚体占主导，随着时间推移，1323逐渐占据优势。通过种子实验证实，1323是自我复制的，且该混合六聚体系统在不同的 1 和 2 比例下都倾向于形成1323。

为了深入了解1323的结构，研究人员通过基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI - TOF）对其进行碎片化分析，发现其主要为 1 和 2 交替的异构体。固相核磁共振分析也表明，1323形成了高度有序的 β 折叠结构，其中亮氨酸残基的化学环境显示出该结构的均一性和稳定性。

进一步研究发现，1323形成的驱动力可能是空间拉链的形成。当 1 和 2 在六聚体环中交替排列时，它们的疏水残基在 β 折叠的同一侧相互交错，形成类似拉链的结构，增强了超分子结构的稳定性。通过对 1 - 2 系统的一系列变体研究，发现苯丙氨酸残基在两个亮氨酸残基之间的交错对促进空间拉链形成尤为有效，而其他氨基酸的替换会影响自我分类的程度。

通过突变和选择探索复制子结构空间

研究人员通过种子实验探究了混合构建模块 1 和 2 得到的复制子的遗传程度。结果表明，种子的组成对复制过程有显著影响，1323作为种子能使更多的前体转化为六聚体复制子，且在复制早期，新形成的复制子中1323的比例与种子类型相关，这表明复制子存在一定程度的遗传，但突变率也相对较高。

为了探究选择压力对复制子系统的影响，研究人员实施了两种不同的复制 - 破坏机制。在基于物理去除（流出）的机制中，系统不断补充构建模块和光氧化还原催化剂以促进新复制子的形成，同时部分复制子溶液被流出带走。这种非选择性的去除方式使得复制速度最快的1422在稳态时成为最丰富的复制子。在基于化学介导的二硫键还原的机制中，系统持续供应氧化剂和还原剂，这种情况下，选择不仅取决于复制速率，还与复制子对还原的抗性有关。实验发现，1323虽然复制效率低于一些竞争复制子，但因其对还原的抗性较高，在这种机制下成为优势复制子。

研究结论和讨论部分指出，在合成自我复制系统中实现达尔文进化，需要复制子占据部分结构空间，并随选择压力变化而改变。本研究通过混合两种构建模块，扩大了自我复制子的结构空间，发现特定的相互作用可使系统通过自我分类偏离随机状态，形成由空间拉链稳定的特定序列异构体1323。种子实验证实了构建模块序列具有一定遗传性，但存在易错复制，而复制子环大小的复制保真度较高。在不同的复制 - 破坏机制下，系统表现出不同的复制子突变分布，体现了达尔文进化的基本特征，即通过复制、突变和选择来探索复制子空间。然而，目前该系统中复制子可利用的结构空间仍然有限，突变分布的变化幅度也不够显著。未来的研究方向是进一步扩大复制子空间，以实现更显著的进化变化，最终使达尔文进化在合成系统中实现开放式发展，为生命科学和化学领域带来无限可能。