Một hypercycle là một tập hợp khép kín gồm các replicator xúc tác lẫn nhau trong quá trình tái bản. Vì chu trình được định nghĩa bởi sự xúc tác lẫn nhau giữa nhiều trình tự khác biệt, nó không thể hình thành mầm từ một bản sao khuôn đơn lẻ: một phân tử không chứa đựng toàn bộ chức năng chu trình, và bản sao đầu tiên của nó không có đối tác xúc tác để khép kín vòng lặp. Do đó, tổ chức hypercycle không thể xuất hiện đột ngột; nó phải được lắp ráp dần dần ở cấp độ quần thể, và cái nôi hợp lý nhất cho sự lắp ráp đó là một quasi-species giàu GC.

Vì sao một khuôn đơn lẻ không thể khởi tạo một chu trình

Một replicator tự xúc tác có khả năng tự cung tự cấp: một sợi đơn làm khuôn cho chính quá trình sao chép của nó sẽ tăng trưởng theo cấp số nhân từ một phân tử, vì phân tử và sản phẩm của nó mang cùng một chức năng. Hypercycle không thuộc loại này. Tính chất định nghĩa của nó là một vòng khép kín hỗ trợ xúc tác trong đó thành viên i tăng cường sự tái bản của thành viên j, thành viên j lại tăng cường k, và tiếp tục như vậy cho đến khi vòng lặp quay trở lại i. Loại bỏ bất kỳ thành viên nào và các thành viên còn lại sẽ không còn tái tạo được nó. Do đó, bản sao đầu tiên của bất kỳ thành viên nào cũng là một ngõ cụt: nó không có đối tác bổ trợ, và không có chu trình xúc tác khép kín nào để khuếch đại nó một cách ưu tiên.

Một quasi-species giàu GC cung cấp nguyên liệu thô

Quasi-species không phải là một trình tự đơn lẻ mà là một đám mây các trình tự liên quan được kết nối bằng đột biến, phân bố xung quanh một trình tự chủ đạo kiểu master. Trong một bể giàu GC, đám mây này có nguồn dự trữ đặc biệt dồi dào. Mỗi cặp G–C bổ sung đóng góp một liên kết hydro thứ ba, nên các thân giàu GC nóng chảy ở nhiệt độ cao hơn, gấp cuộn đáng tin cậy hơn và chịu được nhiều đột biến điểm hơn trước khi cấu trúc bậc hai của chúng sụp đổ. Do đó, kho dự trữ kết hợp cùng lúc hai yếu tố mà bài toán tạo mầm đòi hỏi: tính đa dạng cục bộ cao của các biến thể với các vòng, thân và hình học bề mặt bị thay đổi, cùng đủ độ ổn định cấu trúc để các biến thể riêng lẻ vẫn giữ được chức năng đủ lâu nhằm được chọn lọc kiểm nghiệm.

Đột biến khám phá sự ghép nối, chọn lọc giữ lại nó

Sự khám phá bằng đột biến mới chính là quá trình thực sự tìm kiếm trong không gian tương tác. Một đột biến điểm có thể định hình lại một cấu trúc kẹp tóc, để lộ một bề mặt liên kết mới, hoặc chiêu mộ một trung tâm xúc tác phụ thuộc ion kim loại, làm thay đổi hệ số ghép nối yếu mô tả mức độ mạnh mà thành viên i hỗ trợ sự tái bản hoặc xúc tác của thành viên j. Hầu hết các biến thể như vậy là trung tính hoặc có hại. Đôi khi một biến thể hỗ trợ yếu cho một khuôn lân cận, và hiệu ứng được khuếch đại vì nó có tính di truyền: biến thể được sao chép và tiếp tục hỗ trợ. Trong giai đoạn này, chọn lọc không còn chỉ tác động lên tốc độ tái bản của chính khuôn. Nó tác động lên sự ghép nối: một biến thể được làm giàu khi hiệu ứng ròng của các tương tác của nó làm tăng sản lượng của các khuôn khác trong bể. Các cặp tương hỗ được ưu ái gấp đôi, vì mỗi đối tác giờ đây nâng cao sản lượng của đối tác kia.

Từ tổ chức quasi-species đến tổ chức hypercycle

Khi các liên kết tích lũy, phân bố đột biến thay đổi hình dạng. Tính đa dạng không còn trải rộng quanh một trình tự chủ đạo duy nhất; nó cô đọng lại về một tập hợp nhỏ các khuôn xúc tác lẫn nhau, và sự khép kín vòng chỉ xảy ra khi có đủ liên kết để mạng lưới được khép kín thay vì chỉ mở hoặc phân nhánh. Trước khi khép kín, tập hợp hành xử như một quasi-species với một số biến thể tương quan. Sau khi khép kín, tăng trưởng mang tính hợp tác và siêu cộng: chu trình nhân lên như một đơn vị, và vì mỗi thành viên nuôi dưỡng thành viên kế tiếp, tập hợp ghép nối có thể phát triển vượt trội so với một quasi-species cô lập đang cạnh tranh cùng nguồn monomer và replicase. Đây là cách một hypercycle có thể xuất hiện mà không cần bất kỳ bộ gen đa gen được tạo sẵn nào — nhờ việc chiêu mộ và tích hợp các gen đột biến vốn đã hiện diện trong kho dự trữ giàu GC. Phân tích điểm bất động cơ bản của trường hợp hai thành viên cũng đưa ra cùng một luận điểm dưới dạng hệ số tốc độ: liệu cặp đôi kết thúc bằng sự loại trừ cạnh tranh, sự chọn lọc một thành viên, hay sự cùng tồn tại hypercycle ổn định chỉ phụ thuộc vào độ lớn tương đối của tự tăng cường và tăng cường tương hỗ, và tiêu chí này khái quát hóa cho các chu trình ba thành viên và n thành viên.

Khi con đường thất bại

• Độ trung thực tái bản phải duy trì trên ngưỡng sai số. Nếu tốc độ đột biến quá cao, kho dự trữ tan biến thành một đám mây khuếch tán, trong đó không biến thể nào tồn tại đủ lâu để thiết lập một liên kết.
• Tính tương thích chức năng cũng quan trọng: các thành viên không được cản trở lẫn nhau một cách phá hoại đối với việc gấp cuộn hay xúc tác của nhau, nếu không các liên kết đang tích lũy sẽ triệt tiêu thay vì củng cố lẫn nhau.
• Tải lượng ký sinh phải được giữ ở mức thấp. Một khuôn ích kỷ được tái bản hiệu quả nhờ chu trình đang hình thành nhưng không xúc tác trở lại sẽ rút cạn các nguồn lực chung và có thể làm mất ổn định mạng lưới trước khi nó khép kín.

Ví dụ minh họa. Trong một bể RNA giàu GC, một trình tự chủ đạo kiểu GGC/GCC cùng các biến thể của nó tạo thành một quasi-species. Một biến thể có thể hỗ trợ yếu cho sự tái bản của một trình tự lân cận, và chọn lọc giữ lại cả hai đối tác vì sản lượng chung của chúng vượt quá những gì mỗi bên đạt được khi đứng riêng. Các đột biến tiếp theo tạo ra sự hỗ trợ tương hỗ, nhánh còn thiếu được lấp đầy, và một chu trình hai thành viên hoặc lớn hơn khép kín. Sau khi khép kín, tăng trưởng hypercycle cạnh tranh vượt trội so với quasi-species cô lập đã sinh ra nó.