▲第一作者：Heng Lu, Alex Blokhuis
通讯作者：Eörs Szathmary，Philippe Nghe，Andrew D. Griffiths
通讯单位： 匈牙利厄特沃什·罗兰大学，法国巴黎文理研究大学，匈牙利进化研究所，巴黎高等物理化工学院，德国科学概念基础中心，奥地利康拉德·洛伦兹进化与认知研究所
DOI：
https://doi.org/10.1038/s41557-023-01276-0
01
研究背景
区室被认为是生命起源的关键一步：它可以防止寄生复制者的接管，提高错误阈值，并允许反应网络的进化。尽管瞬时的、非生物的、非繁殖的分隔可能就足够了，但在当代生命系统中，建立分区系谱是达尔文进化论所固有的，这对理论的发展是非常有利的。这是通过细胞中核酸的酶催化模板化复制实现的，核酸复制与细胞生长和分裂之间紧密耦合。因此，人们一直在努力开发自我复制酶核糖酶，并将 RNA 复制与作为原细胞的脂质囊泡的生长和复制结合起来。然而，尽管已经证实了脂质囊泡的复制，包括化学推动的失衡复制和通过内部 DNA 扩增（通过聚合酶链反应（PCR））加速巨囊泡分裂，但自我复制核糖酶以及 RNA 复制与脂质囊泡繁殖之间的耦合仍然难以实现。此外，如此复杂的系统似乎不可能是偶然出现的。
02
研究问题
本研究表明，当自催化反应、反应物和溶剂交换超过产物交换时，区室内的自催化反应会推动渗透和扩散，从而导致区室生长。本研究利用在乳液中的水滴中分隔的甲糖反应证明：区室的体积可以增加一倍以上。对共同反应物（甲醛）的竞争导致液滴的生长速度因周围液滴的成分而变化。通过剪切力对最大液滴进行选择性分割后，这些增长率变化会部分传递出去，从而将增长率差异转化为液滴频率差异。这说明了生命系统的各种特性（生长、分裂、变异、竞争、基本遗传和选择）是如何从简单的物理化学过程中产生的，并可能为自然选择进化的出现铺平了道路。
▲图1|自催化反应驱动液滴生长
要点：
1.乳液中水液滴之间的渗透失配会导致液滴体积的变化。本研究假设，如果自催化反应（图 1a，上图）在液滴中分区，反应物和溶剂交换迅速，而产物在液滴间交换缓慢，那么反应效率较高的液滴中产物的积累可能会推动这些液滴的增长，而牺牲反应效率较低的液滴（图 1a，下图）。然而，能否将这些成分适当地结合在一起，以产生预期的生长机制，这一点并不明显。因此，本研究从理论和实验上测试了这一机制的可行性。
2.自催化反应（图 1b）是碱和二价阳离子催化的甲糖反应的简化版。甲醛 (C1) 与乙醛 (C2) 反应生成二羟基丙酮 (C3)，后者再次与 C1 反应生成醛基四酮 (C4)，后者可分裂成两个 C2 分子，从而使系统自动催化（Cn 中的 n 表示碳原子数）。
3.本研究使用相同的一维液滴阵列系统对甲糖反应是否能驱动液滴生长进行了实验测试。所有液滴都含有标准的甲糖试剂，其中约 40 个液滴额外含有 0.2 M C2（0.2 M C2 液滴），约 80 个液滴不含 C2（无 C2 液滴）（图 1d）。在 40 ℃ 时，0.2 M C2 液滴的体积在约 240 分钟内增加了一倍，而无 C2 液滴的体积则减少了相似的一倍，这与玩具模型的预测结果非常吻合（图 1e）。
▲图2|液滴之间对通用试剂的竞争
要点：
1.本研究关注了体积通常为 ~75-pl 的单分散液滴的二维阵列中的竞争动力学。与一维实验一样，在 40 ℃条件下培养时，0.2 M C2液滴（未标记）的增长以无C2液滴（绿色荧光）的收缩为代价。然而，0.2 M C2 液滴的生长率是 C1 竞争强度的函数，随着相邻液滴数量和无 C2 液滴总体比例的增加，竞争强度也增加（图 2a，b）。
2.当无 C2 液滴与 0.2 M C2 液滴或 0.05 M C2 液滴（含有标准甲糖试剂和 0.05 M C2）以 2:1 的比例混合时，在相同的局部环境中，0.2 M C2 液滴的生长速度仅是 0.05 M C2 液滴的 1.6 倍（图 2c）。然而，在无 C2 液滴（未标记）、0.2 M C2 液滴（绿色荧光）和 0.05 M C2 液滴（红色荧光）的 4:1:1 混合物中，0.2 M C2 液滴的生长速度是 0.05 M C2 液滴在相同局部环境中生长速度的 16 倍（图 2c）。液滴竞争 C1，0.2 M C2 液滴的生长牺牲了 0.05 M C2 液滴的生长，其自催化反应的效率较低。
3.当通过将无 C2 液滴的比例降低四倍来增加竞争时，0.2 M C2 液滴的体积仍然增大，但 0.05 M C2 液滴的体积却没有增大，甚至缩小了，0.2 M C2 液滴的增大减少了，而 0.05 M C2 液滴的缩小增加了，这与 0.2 M C2 邻域的数量呈函数关系，这是局部竞争 C1 的结果（图 2d，e）。
▲图3|液滴级“适应性”和遗传性
要点：
1.生物系统中的绝对适合度 W 被定义为每一特定类型亲本的特定基因型或表型后代的平均数量。本研究关注了能否利用流体动力剪切将液滴生长速率的差异转化为 “后代”液滴数量的差异，这与生物系统中 W 的差异类似，本研究将其称为 W′。
2.如上所述，在区室化的甲糖反应系统中，可以创造出两种 “类型”的液滴群：收缩的无 C2 液滴和生长的 0.2 M C2 液滴。在二维液滴阵列中，将 ~240 pl no-C2 液滴（用炭黑标记）和 0.2 M C2 液滴（未标记）的 1:1 混合物在 40 ℃ 下培养 5 小时。然后，液滴通过一个或两个连续的 T 型接头，T 型接头在 ~400 pl（单次分割）或 ~400 pl 和 ~200 pl（两次分割）的阈值体积上对称地分割液滴（图 3a 顶部）。如果所有 0.2 M C2 液滴都分割一次（W′=2）或两次（W′=4），而所有无 C2 液滴都不分割（W′=1），那么 0.2 M C2 液滴的比例将分别增加 2.2 倍和 3.7 倍（图 3a，下图），这与 W′的预期值一致。
3.为了测试分裂后的液滴能否重新生长，将体积约为 75pl 的无 C2 液滴（红色荧光）和 0.2 M C2 液滴（未标记）以 2:1 的比例混合，在 2D 液滴阵列中于 40 ℃ 下培养 1 小时，然后通过单个 T 接点选择性地分裂体积增加一倍（约 150pl 临界值）的液滴。然后通过添加两倍过量的新鲜 no-C2 液滴（绿色荧光）来提供新鲜试剂，并将液滴在二维液滴阵列中于 40 ℃下重新培养 1 小时。分裂前，0.2 M C2 液滴的体积增大，而无 C2 液滴的体积减小，减小的速度取决于相邻液滴（图 3b 顶部；图 3c 和补充视频 11），如之前观察到的一样。分裂后，0.2 M C2 液滴的平均生长速度是分裂前的 3.83 倍，而分裂前没有 C2 的液滴生长非常缓慢（图 3b 底部和图 3c）。分裂后无 C2 的液滴生长缓慢，可能是由于分裂前邻近液滴有少量 C2 流入，增强了自催化作用或积累了坎尼扎罗反应的副产物（如甲酸盐），导致渗透失衡。
▲图4|使用玩具模型对液滴生长和大小分裂的多个循环过程中的分区甲糖反应进行数值分析。
要点：
1.在封闭系统中，甲糖反应最终会变成焦油状，这与自催化和生物生成不相容。然而，在非平衡条件下情况并非如此：本研究在连续搅拌槽反应器中发现了无焦油稳态，在该反应器中只使用了可能的反应途径的子集，子集的使用取决于条件，以及在串联转移实验中观察到的极限循环，它可以限制产物的组合数量。同样，使用玩具模型对液滴生长和大小依赖性分裂的多个周期中的区隔化甲糖反应进行的数值分析表明：液滴生长和分裂会趋于一个极限周期（图 4）。这表明自催化化学可以驱动溶剂和反应物的扩散以稀释和补充液滴，从而使液滴生长和分裂的周期得以持续。
03
结语
总之，本研究展示了生命和进化系统所需的若干关键特性（生长、分裂、变异、竞争、基本遗传和选择）是如何从简单的物理化学过程中产生的。其中某些特性或这些特性的子集以前已在其他基于脂质囊泡或凝聚态的系统中得到了证明。然而，本研究在这里描述的是一个结合了所有这些特性的系统，在这个系统中，区室（液滴）的生长和分裂与自催化小分子新陈代谢结合在一起。这种过程可能为化学世界中达尔文进化论的出现铺平了道路（达尔文进化论要求选择单位以区室的形式呈指数增长并争夺资源），并可能代表着向可进化合成化学系统概念迈出的重要一步。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41557-023-01276-0
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