来自混乱的生命的出现 - 达尔文进化在生命之前开始了吗?

如何形成长链分子

长链分子是如何形成的。信贷:©LMU

LMU物理学家表明,聚合物分子的基本特征,例如它们的亚基组合物,足以在合理的益生元凝固中引发选择过程。

在生活中出现的生活之前,我们的星球上的许多物理化学过程都很混乱。由亚基组成的多个小化合物和不同长度的聚合物(例如发现的碱基脱氧核糖核酸核糖核酸),以每种可以想象的组合存在。在寿命类似的化学过程之前,必须减少这些系统中的混沌水平。在一项新的研究中,由Dieter Braun领导的LMU物理学家表明,简单聚合物的基本特征以及益生元环境的某些方面,可以产生减少疾病的选择过程。

在之前的出版物中,布劳恩的研究小组探索了空间秩序是如何在海底多孔火山岩中狭窄、充满水的洞穴中形成的。这些研究表明,在存在温度差异和被称为Soret效应的对流现象的情况下,RNA链可以以长度依赖的方式在局部积累几个数量级。Braun说:“问题是,较长的分子的碱基序列是完全混乱的。”

进化的核酶(基于RNA基酶)具有非常特异性的碱基序列,使得分子能够折叠成特定形状,而在早期地球上形成的绝大多数寡聚体最多可能具有随机序列。“可能的基本序列的总数,称为”序列空间“,令人难以置信的大,”新报告的第一个作者帕特里克·凯迪德拉说。“这使得几乎不可能通过纯的随机过程组装功能性核酶或可比较分子的复杂结构。”这使LMU团队怀疑将分子的延伸延伸以形成更大的“低聚物”受某种预选机制。

早期低聚物的模型系统

由于在生命的起源时,与细胞复杂的复杂机制相比,只有少数,非常简单的物理和化学过程,因此序列的选择必须基于环境和低聚物的性质。这是Braun组研究进来的地方。对于催化功能和低聚物的稳定性,重要的是,它们形成了像DNA的众所周知的螺旋结构一样的双线。这是许多聚合物的基本性质,使复合物与双链和单链和单链零件进行配合物。单链部件可以通过两个过程重建。首先,通过所谓的聚合,其中单碱基完成链以形成完整的双链。另一个是所谓的结扎。在该过程中,将更长的低聚物连接在一起。这里,形成双链和单链部分,其能够进一步生长低聚物。

Braun说:“我们的实验是从大量的短DNA链开始的,在我们的早期低聚体模型系统中,我们只使用了两个互补的碱基,腺嘌呤和胸腺嘧啶。”“我们假设随机序列连接的链会形成较长的链,其碱基序列没有那么混乱。然后,布劳恩的研究小组使用同样用于分析人类基因组的方法,分析了这些实验中产生的序列混合物。测试证实,在这些实验中,序列熵,即序列内恢复的无序或随机程度,实际上是降低了。

来自混乱的生命的出现

研究人员还能够识别这种“自我生成”的原因。他们发现,所获得的大多数序列落入两类 - 70%腺嘌呤和30%胸腺量的基础组合物,反之亦然。“具有两种碱的一部分比例显着更大,股线不能折叠自身并保持作为连接的反应伙伴”,布劳恩解释说。因此,在反应中形成了两种碱中的一半的任何股线。“我们还看到短DNA池组合物的畸变如何留下不同的位置依赖性图案,特别是在长产品股线中,”布劳恩说。结果让研究人员感到惊讶,因为只有具有特定基础比的两块不同的碱基的股线具有有限的方式来区分彼此。“只有特殊的算法可以检测到这种惊人的细节,”该研究共同作者Annalena Salditt说。

实验表明,低聚物的最简单和最基本的特征及其环境可以为选择性过程提供基础。即使在简化的模型系统中,各种选择机制也可以发挥,这对不同长度尺度的股线生长产生了影响,并且是不同组合的结果。根据Braun的说法,这些选择机制是形成催化活性络合物如核酶的先决条件,因此在混乱的生命的出现中起着重要作用。

引用:Patrick W. Kudella, Alexei V. Tkachenko, Annalena Salditt, Sergei Maslov and Dieter Braun, 2021年2月16日,《结构化序列从随机池中出现,当模板连接复制时》美国国家科学院院刊
DOI: 10.1073 / pnas.2018830118

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