斯佩格尔曼的实验

2.斯佩格尔曼的实验

在20世纪60年代后期，斯佩格尔曼及其合作者首先在实验室内证明了达尔文进化。斯佩格尔曼曾研究过Qβ噬菌体的一种蛋白，该噬菌体是侵害大肠杆菌的一种小病毒。作为这种噬菌体遗传材料的RNA链只含4个基因，其中之一段编码蛋白质的酶叫“复制酶”。这种复制酶是Qβ噬菌体生存和增殖所必需的，因为它能使该病毒的RNA基因组拷贝。

斯佩格尔曼知道，如果将此病毒RNA与其复制酶蛋白混合并加进核苷三磷酸（构成RNA的元件），复制酶就会制造出病毒RNA的额外拷贝，应用这一方法就可在一试管中进行遗传分子的倍增。这种扩增（增殖）过程有一个插入突变的特征，因为病毒复制酶蛋白是一个粗心大意的工人——在拷贝RNA顺序时，它几乎总是要出1～2个差错。作为一个选择标准，斯佩格尔曼挑选出下列这个问题：如果对RNA分子作出的惟一要求是按照圣经的戒律繁殖的同时，但必须以RNA分子尽可能快地繁殖为生物学条件的话，那些RNA分子将发生什么情况呢？

斯佩格尔曼把Qβ系统的选择、增殖和突变特征结合在一起，进行了被称之为一种连续转移的实验。他让Qβ复制酶在试管中倍增QβRNA约20分钟，在此期间，复制酶使亲本分子以及后代分子都进行复制，在此过程中难免要出差错。接着，斯佩格尔曼把这种反应混合物样品转移到另一试管中，该试管中装有刚制出的复制酶蛋白和4份核苷三磷酸。增殖周期和样品转移要重复74次。在每一轮中，所使用的工艺流程要有利于这些分子的增殖，这些分子在转移前能产生最多的后代。

斯佩格尔曼还定期地用减少增殖可利用的时间的方法来给选择加压，因此，需要长时间进行自我复制的分子必然不能够像需时短的分子那样留下许多后代。事实上，由于在试管内发生的进化，存活下来的RNA会逐渐变得更短，因为较小的分子可以较快地复制，由此比起完整的病毒基因组来能更频繁地复制。到第74次正在进化的RNA分子转移时，已有83%的原有Qβ基因组被除去，只剩下复制酶进行其工作的那部分。尽管这些分子不再能胜任侵害大肠杆菌的职责，但它们已十分精确地完成斯佩格尔曼赋予它们的使命——把它们的复制率大约提高了15倍。

这一Qβ系统对我们在分子水平上了解达尔文进化已作出了显著的贡献，由于有了斯佩格尔曼的工作，一些研究人员已使用这种Qβ进化系统去生产重要的RNA分子。例如，莱斯利·奥格尔及其合作者通过定向进化建立了QβRNA的变异株，该变异株对溴乙啶药物有抗性，溴乙啶在试管中通常是RNA复制的抑制剂。

可是，Qβ系统有一个严重的限制——复制酶蛋白对它即将复制的RNA顺序是非常苛求的，因此对Qβ系统的最重要的选择阻碍——远比实验人员施加的任何限制更迫切——就是正在进化中的RNA保持对复制酶蛋白来说是良好的基质。这种状况与父亲告诉孩子“只要你留在家里管理家业，你就可以去做你一生中想做的任何事情”的情况并无不同。

Qβ复制酶的苛求性限制了它的多种适应性，因而也限制了该系统的适用性。不过，近年来研究人员已在实验室内开发出了能使复制和选择过程分开并由此而更有适应性的进化系统。这种分子随着与基因顺序无关的（这不同于Qβ复制酶）扩增程序的出现而变得可能了。