為什麼沒有生物直接以 DNA 為模板來合成蛋白質？中間加一個 mRNA 有什麼好處？

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中心法則表明，DNA轉錄成為RNA，然後被翻譯成蛋白質。為什麼不能直接以DNA做為模板來合成蛋白質呢？這樣豈不是效率更高？為什麼要加入RNA呢？這樣有什麼好處呢？

DNA合成需要蛋白質，蛋白質合成需要DNA，那麼最早的生物是先有蛋白質還是現有DNA？後來發現RNA既可以做遺傳物質，又可以做酶，所以最早的生物只有RNA。摔成你的問題應該是為什麼有DNA而不是為什麼DNA要先合成RNA。

1 效率問題。你可以把RNA和DNA想成內存和硬碟的關係。內存快，但是不能長時間保存數據，用完很快可以擦掉重用。硬碟穩定存儲量大。DNA是一種很穩定的結構，比RNA穩定得多，所以能夠成為存儲基因的主要載體。缺點就是慢，每次要解開。用來合成蛋白質的核糖體只能塞進小段RNA，所以即使用超長鏈RNA作為主要遺傳物質，還是要先從RNA上面複製出mRNA的片段的。而如果用長鏈DNA複製mRNA，那麼一段dna可以複製出幾百條RNA，這樣效率就上去了。
而且，RNA的不穩定性也是有用的。用完就被分解掉，不會影響後面的表達。你想，如果RNA一直存在那裡合成蛋白質，一個細胞分裂周期只要幾十分鐘，你把分裂時期分開細胞的蛋白質生產活動保留到正常周期那不是亂套了？

2 就是DNA的表達，需要一個調控。大部分基因在細胞裡面是不表達的，除了顧家基因外只表達剩下的小部分基因，這樣才能帶來每個細胞的不同和分化。而控制基因是否表達，一個最重要的方式，就在於控制能否把dna轉錄為RNA，每次轉錄多少，這比dna裡面擁有多個基因拷貝要更精細、更容易控制，更容易有多種邏輯。
比如說我可以用一個激素來控制某個dna是否打開，然後用這個dna轉錄的RNA製備的蛋白質來控制另外基因是否打開，如此等等。比如我可以控制在發熱的情況下分泌熱休克蛋白，正常溫度就不必分泌；懷孕的時候抑制免疫；根據晝夜周期決定是否分泌激素來啟動發情，等等。

3 如果你有一種辦法，可以讓RNA像DNA一樣穩定還可以調控mRNA的轉錄，還有一個問題，越複雜的生物DNA越多，以大多數生物的遺傳信息量，存在的DNA或者RNA數量會非常大，你如果衝過果凍或者米粉就知道，最低只要有千分之一以下質量的長鏈分子，水就會凝固成半固體。生物解決這種問題的辦法就是細胞核，平時把DNA用蛋白質包起來成為穩定的半固體，關在細胞核裡面，這樣就不會讓細胞核以外的細胞液凝固了。只有簡單的細菌才沒有細胞核。你把DNA換成RNA，問題是一樣的。為了細胞不凝固，長鏈RNA一樣平時要鎖起來，需要時解開。

很多時候，這個世界的規則並不是越簡單越好的。「經歷的步驟越少效率就越高」經常是錯的。

舉個例子，我們的社會有工廠來生產產品，有消費者來消費產品。
這個社會本來可以簡化成「工廠to消費者」這種簡單的模式。但事實並不是這樣的，中間演化出了很多環節，很多行業。比如經銷商、分銷商、各級代理、購物中心、二手貨市場、淘寶京東等等
這種環節多了並不是最簡單的模式，但卻是效率最高的。

RNA的存在和這種工廠和消費者中間的流通環節非常想。乍看起來費事了，其實省事了。
1，RNA起到了緩衝的作用：向上吸納工廠的產品，向下吸納消費者的購買需求，使得整個社會對商品的冗餘容忍度更高，而冗餘是沒法避免的。相應的，DNA如果直接合成很多蛋白，又必須冗餘的話，會造成極大的浪費。合成蛋白是很消耗能量的。
2，RNA起到了調度的作用：工廠太不靈活了，可是代理商這幫銷售很靈活，可以隨時根據市場的變化改變策略。DNA是很穩定的很呆板的，而RNA非常的靈活，和銷售一個屬性。
3，RNA起到了級聯放大的作用：工廠只有一家，可消費者可能有幾百萬人，一家工廠給這麼多人供貨怎麼忙得過來呢，還是要依靠代理商。RNA數量比DNA多很多，而蛋白數量又比RNA多很多

所不同的是，這個社會總會有很多人出生，他們總要有工作，不然社會就崩潰了，所以要有很多行業吸收這些能力千差萬別的人。而細胞里是很高效的，不必要的能量一點也不浪費，每個能量都要被精確計算。
這可能就是人類社會的效率趕不上細胞的原因吧。

總結來看，因為生命活動本身很複雜，就像社會很複雜一樣。用簡單的機制解決複雜的問題，可能會讓問題更複雜。

中間經歷 RNA 的步驟個人認為更可能是歷史原因造成的（RNA世界學說）。

我寫一點我臨時想到的，如果還想到了其他的再來繼續補充。

總的來看，經歷的步驟數目越少，效率自然會越高，但是可供調節的選擇就變少了，某一個反應可能成為控制許多個生物反應過程的關鍵，這就增加了調控的難度（例如，對新生肽鏈的翻譯後修飾的重要性提高）。

當然，如果全部用 DNA ，效率方面的優化如果真的會起到好得多的效果的話，那麼還是有可能進化出全部由 DNA 來轉錄翻譯的生物來的，可是仍然有很多問題，我所想到的一些主要可能存在的問題包括：

（A）最極端的情況，所有 RNA 進行的工作全靠 DNA （催化功能假如都由蛋白質）來完成：

DNA 的複製和被轉錄的過程中還常常用到 RNA 作為引物，引物與 DNA 序列的結合雖然同樣涉及到互補配對，但是可以包容一定的錯誤（因為最後反正要切掉），因此複製和轉錄的準確率都比較高，如果沒有 RNA 引物，而是 DNA 引物，那麼就需要增加一種找到該從什麼地方切斷的酶，搜索功能往往是低效率的，而 DNA 的切斷功能又增加了基因組產生插入缺失序列（Indel）的風險，這會在以後的複製過程中帶來連鎖反應式的越來越多的突變（Single-nucleotide mutation rate increases close to insertions/deletions in eukaryotes : Abstract : Nature）；如果沒有 DNA 引物，那麼開頭序列又很可能出錯。在這樣的情況下，RNA 總是必不可少的。

（B）假設核糖體進入細胞核，在 DNA 上直接翻譯，可能出現的問題包括：

核糖體的擴散係數與 mRNA 相比，因為粘滯阻力大大增加，擴散的效率也會降低。已經合成好的蛋白質從核內運輸到核外（或者核糖體從核外運到核內）在核膜孔處都可能出現堵塞的情況。
在 DNA 序列上也很可能出現核糖體的擁堵。其他回答者已經提到，DNA 解螺旋是很麻煩的，因此最好是類似於 mRNA 被翻譯的時候那樣，同時有多個核糖體來翻譯，在核內 DNA 上，這種擁堵相比起 mRNA 上的擁堵（Modeling dynamics of Translation）是更嚴重的。

（C）假設使用先翻譯成 DNA，然後再進行翻譯，可能出現的問題包括：

因為 DNA 實在是太穩定了，所以假設存在 mDNA，那麼很可能它在運輸過程中會摺疊出複雜而且比 RNA 更穩定的三級結構，以至於在合成蛋白質的時候，還需要先解螺旋等等過程，這些都是需要酶的參加的。
=。=我先寫到這好了……

首先要指出的是題主的問題本身不合事實，題主似乎認為在這個體系中的mRNA是外來者，事實上，現代生物學觀點認為RNA是生命誕生早期最基礎的分子，什麼信息攜帶和功能發揮都是它，核酶就是一個論證，隨著生命的發展，蛋白質出現，更為多變的蛋白結構接過來發揮功能的使命，DNA出現，相比於RNA更為穩定的DNA成為了儲藏信息的倉庫，RNA則成為了一個信使，這個問題的正確表示方法應該為mRNA中間信使的功能為何未淘汰，畢竟RNA攜帶遺傳物質就因其不穩定慘遭淘汰。
這個問題大家已經說很多，我就簡單的說一說，如果一個過程出現了一個中間步驟，那我們不妨假設這個步驟是有意義的，那麼這個意義主要可能是下面幾方面
提高效率假設你有消息要告訴一千個人，而你聲音很小只能一個個告訴，那麼你是選擇告訴一千次還是發展一些下線呢？RNA就是一個提升速率的下線，這也是生物體中常見的級連反應，在有的信號通路中甚至會出現激酶，激酶的激酶，激酶的激酶的激酶，就是一樣道理
進行調控這個別的答主講的就比較詳細，蛋白合成與否，合成多少，何時開始，何時停止，通過一個中間分子的存在，調控就會更方便一些，也有更多調控的方法
保險措施 mRNA的修飾可以在一定程度上減少DNA突變造成的影響，而這個中間分子的存在也使某些DNA自身的防護措施成為可能

其實最關鍵的一點是：核糖體里有RNA和蛋白，但是催化肽鍵形成的催化核心是在rRNA里的！沒有rRNA我們根本就翻譯不出來蛋白啊！！！！！！！！！！！
雖然有人嘗試過用DNA代替mRNA 但是rRNA似乎是不可取代的。

直接以DNA為模版並不會提高效率。
以DNA與mRNA引物的結合為例，DNA必須先解旋再和mRNA結合
這樣說來，如果直接以DNA作為模版，合成蛋白質，每次解螺旋都會很麻煩。
mRNA這樣的中間物質很好的解決了問題。
另外，真核生物的DNA大部分在核內，而蛋白質的合成基本在核外進行。
核內外物質交換通過核孔進行，若以DNA為模版，合成的蛋白質運輸也需要很多的能量。
以上，非專業，有問題歡迎指出。

為什麼需要mRNA，這是個有趣的問題。從進化的事實上看，其實最早的生命形式是RNA，DNA是後來才產生的。當然就算這樣，這個問題仍然存在，因為如果mRNA純屬多餘，進化大約會將其淘汰。

我的理解是：
1. 在一個細胞內，基因的信息在DNA上一般以單/雙拷貝存在。
1.1 數量上的劣勢：對於最終的蛋白質產物，如果直接在DNA上進行的翻譯，會受限於模版數而無法迅速大量產生。所以mRNA作為一種中間產物，能夠為翻譯提供更多拷貝的模版（高若干個數量級）。
1.2 無法提供空間分布的信息：受精卵發育時，卵細胞內來自母體的幾種基因mRNA的濃度梯度分布決定了受精卵的極性，也就是頭尾、腹背的區別。單/雙拷貝的DNA無法提供這種信息。

2. 轉錄比翻譯更有效率。
當然，不是所有基因都在胞內有mRNA的庫存。如果說直接從DNA翻譯有模版數低的困難，那麼對於轉錄這些困難同樣存在。所以必須知道一個事實：轉錄比翻譯簡單。簡單來說，轉錄類似於複製，模版和核苷酸之間依賴鹼基(A-T, C-G)識別。而翻譯需要tRNA的輔助，tRNA一邊是3核苷酸密碼子負責識別模版，一邊是特定的氨基酸。

以上印象流，拋磚迎玉。

怎麼大家都把mRNA的修飾功能忘了呢？
DNA這種東西要是直接用來翻譯成蛋白，可以是可以，唯一的問題是，太不穩定了，萬一哪兩個鹼基複製的時候錯配了一下，那出來的蛋白很可能就是沒用的了。
RNA作為中間的媒介，先從DNA轉錄出來一些，然後剪掉其中的一些部分，再形成最終可以用來合成蛋白質的RNA是一種比較保險的策略：起碼萬一出現突變的是那些被剪掉的部分的話，出來的蛋白質還能照常使用，這對於生物的生存和繁衍是很有用的。
所以我們不妨假設原來真存在過直接以DNA為模板合成蛋白質的生物存在，但是這種生物對突變過於敏感，以至於無法更好地適應環境，所以被選擇淘汰掉了而已。

其實可不可以這麼想。為啥會有DNA而不以RNA直接作為遺傳物質呢。
個人比較支持RNA world hypothesis. 上面有提到。非常有意思的理論。建議題主瀏覽一下。
題主在多閱讀RNA相關的材料之後會發現。部分RNA分子「殘留」與DNA和蛋白質類似功能。

而在這個問題上我認為合理的理解方式應該是。
在進化過程中蛋白質和DNA的出現為生物的複雜性提供了基本條件。
三者（加上RNA）在進化過程中只保留了其結構帶來最有效的功能。
DNA遺傳物質。蛋白質功能物質。RNA作為連接橋樑。

根據這個思路。我們可以大概想像一下如果沒有RNA會如何。
高級脊椎動物染色體中有很多基因。再加上基因之間無效DNA片段（不翻譯成蛋白質）。
染色體中的DNA分子量是非常驚人的。（人類基因組大約有10^9數量級bp的DNA)
而幾乎所有細胞都擁有全套基因。細胞內的DNA都是高度摺疊的。只有需要的時候才會選擇性表達。
如果從DNA直接翻譯蛋白質。細胞要麼需要足夠大來容納展開的DNA使得所需要的基因得到表達（但細胞大小受面積體積比限制）。要麼DNA總量就會受到限制。結果導致生物體的複雜性受限。
mRNA的存在使得在DNA上某些基因不再表達之後。依然可以被翻譯成蛋白質。而且可以是高效地。因為mRNA可以有多條。

其他方面進化方面的理由還有很多。
例如蛋白質更加多樣更加高效。所以有蛋白質的生物出現之後RNA的生物就活不下去了。
例如DNA比RNA結構上更加穩定。更加能將生存必需的基因完整地保存下去。
而RNA因為功能上被替代。所以現在看來就變成了打雜的角色（mRNA, tRNA, rRNA, snRNA等）

效率方面就不贅述了。上面都有提到。
推薦讀物《細胞分子生物學》。『molecular biology of cell』 — Bruce Alberts et al.

如果不局限於DNA、RNA、蛋白質這個話題，總體而言，生物化學反應，多一步，或者多一個旁路，也就多一個調控環節，也多增添了一層複雜性，從而衍生出更多樣的性狀，和/或增添了冗餘備份的代償、防禦機制，雖然多耗費了能量和物質，但只要平衡好投入和產出，對適應環境就有更加有利。

RNA中心學說認為RNA是最初最原始的生命形態，因為RNA什麼都能做，雖然做的都不好。

後來慢慢的RNA可以把一些氨基酸騙來了，形成了RNA-多肽/蛋白複合體，生命形態有了飛躍。

後來又有了一個新飛躍， DNA出現了。由於DNA雙鏈更長更穩定，所以以DNA為磁帶的生物可以更複雜。

那麼，為什麼沒有DNA直接到蛋白質？
最直接的解釋是 RNA-&>蛋白質已經成了既成事實，這個過程中有成百上千個組件在其中發揮作用，而這些組件中大部分都是不能結合DNA的。版本的正常迭代中暫時沒有辦法一次更新這麼多組件徹底的另起爐灶製造出能認識並使用DNA的系統。通過人為篩選把系統中一個部件的結合底物從RNA改成DNA是可能的，但是同時把整個系統都改掉，這概率就太低了。

實際上，我的腦洞是，現在還可能在某些地方存在著只有RNA或者RNA-蛋白質構成的生命形態，只是太小了，也太偏遠沒有被人類發現。

因為DNA很大，如果要直接從dna到蛋白需要很多dna佔地方，而且用完怎麼降解也費事。另一方面，dna的複製是絕對不允許出錯的，有很多種修復機制，也就導致速度的問題，而轉錄酶大多沒有proofread因為如果轉錄錯了直接降解就好了，那麼多呢

RNA起到了調度的作用：工廠太不靈活了，可是代理商這幫銷售很靈活，可以隨時根據市場的變化改變策略。DNA是很穩定的很呆板的，而RNA非常的靈活，和銷售一個屬性。

引一段《The Vital Question》裡面的內容來回答這個問題。作者是Nick Lane。翻譯者是我。簡體中文版明年上市。黑體是我針對這個問題加的。

"所以，最初的真核細胞，是被自己內共生體放出的基因寄生蟲大肆轟炸。諷刺的是，這些基因寄生蟲「活著」的時候並沒有帶來多少問題，反而是它們衰退、死亡之後麻煩才來了。因為它們的殘骸，也就是內含子，像垃圾一樣亂扔在整個基因組中。這時宿主細胞就不得不把它們切掉，不然就會轉譯成毫無意義的蛋白質。如前所述，剪接體就是專門干這個累活的，它源於移動內含子的RNA剪刀。不過，剪接體儘管是精良的納米機器，也只能部分解決問題，因為它的速度很慢。直到今天，經過了二十億年進化的改良，剪接體要切掉一段內含子，還是要花幾分鐘的時間。偏偏核糖體的工作速度又奇快，每秒鐘可以組裝10個氨基酸，製造一個標準的細菌蛋白質（長度約250個氨基酸）只需不到半分鐘。另外，剪接體要接觸到RNA都不容易，因為一段RNA上常常嵌著好幾個瘋狂工作的核糖體。就算讓剪接體接觸到了，它慢吞吞的工作速度也來不及阻止核糖體生產大量無用的蛋白質，序列中夾雜著沒有切出去的內含子。

細胞如何防止這樣的錯誤災難發生？馬丁和庫寧認為，在處理過程中插入一道障礙就行了。細胞核膜就是這道障礙，可以把轉錄和轉譯兩個過程分開。在細胞核里，基因被轉錄成RNA轉錄本；在細胞核外面，核糖體會讀取RNA，然後轉譯成蛋白質。最重要的是，緩慢的剪接過程在細胞核內進行，在核糖體有機會接觸到RNA以前，已經處理完畢。這就是細胞核真正的意義：把幹勁沖天的核糖體擋在外面。這就解釋了為什麼真核生物需要細胞核，而原核生物不需要。原核生物根本沒有內含子的麻煩。"

Nick Lane寫的這一段是探討一種關於細胞核起源的理論。我認為這個理論很好地回答了本問題。畢竟，生物學中絕大多數問題，只有用進化的眼光來看才能make sense.

我個人認為目的可能是基於表達調控吧。由此可以把蛋白表達變成一個多階段可控的過程，例如染色體水平、轉錄水平、轉錄後RNA加工轉運、翻譯水平、翻譯後修飾、mRNA降解等。從而使得蛋白表達更為精密高效，反饋及時。這樣既能提高效率，也能完成更複雜的功能。

好比DNA是線，用線織成了布，也就是RNA,用這塊布，可以做成各種各樣的衣服，也就是蛋白，保守點，你就做個中山裝，奔放點，你就弄個比基尼。如果沒有RNA,直接從DNA翻譯，沒有比基尼的世界該有多無趣啊。

我實名預測，未來幾十年的生物研究的重點，必定會轉向RNA。

前段時間施一公破解RNA剪切體結構，因此獲得未來科學獎的一百萬美金，引起很多人的關注(噴)。

但我認為，RNA的重要性絕對值得這個獎。

生物學一直以來的研究，一直集中在中心法則的兩端，DNA和蛋白質。

蛋白質，中心法則的尾，丰度變化實實在在看到的，變多變少導致某一種疾病，我加個抗體中和一下或者過表達，治好了。

後來想到蛋白有毛病，為啥，找到中心法則的頭，DNA有問題。拿病人DNA一去測序，這個鹼基突變了，導致蛋白有問題。

我這一掐頭一去尾，問題應該解決了吧？情況是，沒有。

因為中心法則中間那個看起來微不足道的RNA的作用一直以來被忽視。但最近隨著表觀遺傳學研究的興起與深入，RNA的重要性慢慢被大家重視起來。 RNA有著一套比DNA轉錄與蛋白表達複雜多的體系，包括著lncRNA,mRNA甲基化等，最近幾大刊紛紛被RNA研究刷屏。

RNA直接決定蛋白，密碼子到氨基酸，這一步是很直接，簡潔的。

DNA到pre-mRNA, 這一步也是簡單粗暴。DNA人體編輯在可以預見的未來可以實現，AT-CG剛被發表可以被無傷替換。加上CRISPR系統，我們能輕易解決DNA的錯誤。

那下一個要解決的問題，必定是複雜千倍的RNA修飾與剪切。

大家意思大同小異，我寫個不啰嗦的精簡版吧。
1.穩定性。DNA比RNA穩定，在大多數情況下這句話成立，因為DNA一般成雙鏈結構，而RNA一般成單鏈結構。但是在鹼基對較多時，雙鏈RNA比雙鏈DNA要穩定。雙鏈RNA並不少見，在RNA干擾技術中是必須組成，部分病毒也是dsRNA病毒。所以穩定性不是全部原因。
2.信息量。一段DNA可以有不同閱讀方式，不同開頭不同結尾不同方向。有時候需要在不同部位轉錄出不同mRNA，如果僅靠DNA直接表達，恐怕會比較混亂。行使表達功能時，自然會希望命令儘可能單一，降低出錯率。
3.調控能力。與第二點有很多重疊，為了有更豐富的遺傳信息，除了不同閱讀框，還會有不同的剪切方式使同一段DNA產生不同mRNA，顯然我們不能直接剪切作為遺傳信息載體的DNA。另外還存在一些轉錄後修飾，翻譯後修飾，不能讓DNA親力親為，需要各個小片段RNA分別行使功能。
4.效率。與第三點存在重疊，一段DNA可能需要在不同地方轉錄不同mRNA，也可能在同一地方轉錄不同mRNA。mRNA可以同時結合多個核糖體進行翻譯，若以DNA為模版，就算它能夠同時結合多個核糖體，它也做不到讓同時結合著的核糖體進行不同的翻譯。一段DNA可以同時有很多段mRNA，mRNA又同時進行著多段翻譯，相比於DNA單槍匹馬地直接作為模版翻譯，效率自然前者完勝。

首先，DNA作為遺傳物質保持穩定性還是很重要的，先轉錄成mRNA也可以保證一些在轉錄過程中發生的有害突變不會傳給下一代。再者從效率角度來考慮，細胞中同時進行的生化反應需要極大數量的酶或其他蛋白質，直接以DNA為模版製造蛋白質不一定能滿足細胞對蛋白質的大量需求，畢竟一條DNA單鏈就只能製造一個蛋白質分子。而如果轉錄成mRNA的話，DNA可以在mRNA被翻譯的同時繼續轉錄出RNA，提高了在單位時間內製造蛋白質的數量。

細胞是非常講究效率，目前人類沒有任何一個組織能夠比擬細胞工作效率——xx老師

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當然如果你能夠把轉錄的過程全部弄明白之後也就很容易明了（細胞生物學會講），如果說以DNA為模板複製出單鏈，然後呢？是不是還需要個t-dna（不存在）然後與單鏈進行結合，但t-dna（不存在）怎麼知道哪個傢伙是你作為模板的單鏈，要是咔嚓一下子把模板的單鏈個結合上去，那模板dna還能不能回到原來的雙鏈結構？顯然不行啊。

所以問題就在於，作為控制細胞的核心，那麼他是需要通過某種方式去將信息準確的釋放出去，同時，作為儲存信息的介質，也要保證自己的穩定性。而通過多種rna的作用就能實現這個功能。

通俗解釋，簡而言之：為了細胞的安全，其次是效率。
1.DNA作為重要遺傳物質不可以頻繁進出細胞核。
2.蛋白質合成不可能在細胞核中完成。
你說效率問題，一條DNA鏈上照樣可以同時串上好多酶進行蛋白質合成，原因必然是因為細胞的功能分化。遺傳物質就要有遺傳物質的樣子，搞運輸就要有搞運輸的樣子，提供能量就要有提供能量的樣子。高度分化的社會才能夠提高效率，要不然一團粥DNA什麼都幹細胞估計也活不長。