生活是如何开始的?(第3部分)

难以捉摸的自我复制RNA分子(现在已经追捕了三十多年)将是所谓的自催化反应的一个例子。在化学中,催化剂是M

难以捉摸的自我复制RNA分子(现在已经追捕了三十多年)将是所谓的自催化反应的一个例子。

在化学中,催化剂是一个分子,可显着加快反应发生率,而无需在该反应中使用。许多蛋白质充当催化剂。例如,产生和维护生物体的一些必要的化学反应可能需要数千年的时间才能自己完成。但是,有了合适的蛋白质作为催化剂,它们可以在短短几分钟内甚至更快地发生。

在发现某些RNA分子也可以充当催化剂(例如蛋白质)之后,建议生命始于自我复制的RNA(即一种RNA分子),一种催化其自身形成的RNA分子(因此自身催化或自我催化) 。如本系列的上一部分所述,这导致了RNA世界假设。

化学中存在一些自催化反应的例子。但是在1970年代初,以斯图尔特·考夫曼(Stuart Kauffman)的名义的年轻美国科学家推测,生活可能不是从单个自我复制分子开始的。考夫曼指出,在1971年的《控制论杂志》的一篇文章中:

“复制是复杂的动态系统的特性,而不是单个分子的特性。从根本上讲,自我复制是一个自催化过程,其中一组分子催化了几乎相同的第二组的形成。没有分子需要催化其自身的形成。”

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斯图尔特·考夫曼(Stuart Kauffman)

因此,考夫曼(Kauffman)没有产生单个分子来催化自己的复制,而是主张一组催化彼此形成的分子。他称这种相互催化的分子集为自催化套件。从同一年中,诺贝尔奖获得者曼弗雷德·埃吉(Manfred Eigen)发表了一篇文章,他在其中娱乐了几乎完全相同的想法,但随后他很快就驳斥了它。并不是因为他认为这样的场景不太可能从益生元化学中脱颖而出,而是因为他认为这样的场景将无法发展并变得更加复杂。换句话说,即使它确实出现,它也无法导致真正的生活和发展系统。

卡夫曼直到1986年15年后才回到他的最初想法,当时他在《理论生物学杂志》上发表了一篇文章,并进行了更详细的解释。在本文中,他介绍了化学反应网络的特定数学模型。 Kauffman利用匈牙利数学家Erdös和Rényi引起的众所周知的理论结果,随后辩称,鉴于足够高的分子类型,他的模型中自体催化集的出现是不可避免的。

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自催化集的一个示例。分子由“ A”和“ B”的构件序列表示。这些序列可以组合成更长的序列,也可以通过以黑点为代表的化学反应分成更短的序列。虚线箭头指示哪些分子催化哪些反应。

同年,该主张通过物理学家Doyne Farmer和Norman Packard进行的计算机模拟进行了验证。在他们有关这些结果的联合文章报告中,Farmer,Kauffman和Packard包括一个图表,说明了一个自催化集,该图是由其模型引起的。在后来的几年中,其他几位研究人员使用类似的化学反应网络模型独立地获得了类似的结果。所有这些模型都表明,自催化集确实很容易形成 – 不需要高水平的催化。例如,在考夫曼(Kauffman)的原始模型中,每个分子平均需要催化两种反应,以具有很高的自催化集可能存在的可能性。正如实际化学所知,许多分子可以催化多种反应。

自催化进化

这些模型和模拟中的某些模型也遵循的是,尽管经埃吉(Eigen)的早期批评,但自催化集确实可以发展并变得更加复杂。这是由进化生物学家EörsSzathmáry以及包括Kauffman在内的一群研究人员最终表明的。在这里,其他研究人员随后也获得了类似的结果。

所有这些结果均基于化学反应网络的数学模型和计算机模拟。然而,自催化集也已通过实际分子在实验中构建。第一个这样的例子是在1994年在德国的GünterVonKiedrowski实验室中生产的。在这项成就之后,考夫曼和冯·基德罗夫斯基分享了一瓶香槟。

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蛋白质折叠成复杂的三维结构,由它们的氨基酸线性序列确定。然后,这种结构决定了它们的功能,例如它们可以催化的化学反应。最近,通过实验构建了具有多达16个催化RNA分子(所谓的核酶)的自催化集。此外,基于精确的理论计算,产生了由九种短蛋白(或肽)组成的实验自催化集。

这些实验示例虽然是原则的重要证明,但是在受控实验室环境中仔细设计和构建的。但是,还显示出实际活生物体的代谢网络包含自催化集。代谢网络是在生物体中发生的化学反应的集合,以将食物和外部能量转化为基本的构建块(例如核苷酸,氨基酸和脂质),这些块形成了生长,维持和繁殖所需的分子。

大肠杆菌(或大肠杆菌)的代谢网络是任何生物中研究最多的网络之一。大肠杆菌是一种生活在您的肠道中,产生维生素K的细菌,并有助于抗击其他有害细菌。 2015年,分子生物学家菲利帕·索萨(Filipa Sousa)和比尔·马丁(Bill Martin)表明,大肠杆菌的代谢网络含有大型的自催化集。

最近,Joana Xavier和Martin表明,更原始微生物的代谢网络还包含自催化集。这些特殊的微生物生活在已知的最简单的碳和能量来源上,并被认为与生命起源后不久的一些最早的生物体相似。

一个截然不同的情况

这些代谢网络中的自催化集最引人注目的是,它们不需要蛋白质或RNA作为其催化剂。取而代之的是,它们使用自然存在的元素,例如金属(铁,锌,镁等)或网络本身产生的其他小分子。但是,这些“原始”自催化集实际上确实产生了一些核苷酸和氨基酸,这是RNA和蛋白质的基本构建块。有趣的是,这些微生物自身催化集也与热液通风化学兼容。这大量关于自催化集的理论和实验结果开始暗示了除RNA世界假设的生命之外的可能起源的截然不同的情况。与其从单个自我复制的RNA分子开始(对于仍然没有实验证据)开始,也许它从很容易形成的简单自催化集开始,最初使用金属和小的自我生产的分子作为催化剂。但是,这些初始的自催化集能够生成RNA和蛋白质的基本构建块。一旦这些较大的分子出现,它们就可以开始接管初始催化剂的作用,因为这些较大的分子更有效。反过来,这将允许形成其他分子,以复杂性和多样性的向上螺旋,一直到第一个真实的代谢网络。

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斯图尔特·考夫曼(Stuart Kauffman)在他的78岁生日(2017年);蛋糕的特色是自催化套件的图像。

经过近50年的历史,自闭症集的最初想法已经走了很长一段路。考夫曼今年将庆祝他的80岁生日 – 他仍然积极参与生活研究的起源。可以通过CoolScience Club的网站(Kauffman是成员)的网站遵循其中的一些工作。与许多具有不同专业知识的科学家的综合努力,这是如何,何时何地以及何时何地的长期问题生命的起源无疑将最终得到解决。

这样,我们还将更好地了解生活是什么,它可能起源(或可能仍起源)在其他地方的可能达成的可能性,以及我们是否可以期望它与生活非常相似或完全不同地球。

它肯定会在我们自己在宇宙中以及可能存在的任何其他生活中提供更明智的观点。

(这是关于生命起源的研究史的三部分系列的第3部分。请参见此处的第1部分,以及第2部分。)

威姆·霍迪克(Wim Hordijk)(@wanderingwim)将自己描述为“训练的计算机科学家,历史事故的进化论者,反对更好的判断力的学术和选择的专业流浪者”。他对计算和生物学的界面最感兴趣,尤其是专注于生命的出现,进化和起源。

帖子是如何开始的? (第3部分)首先出现在轨道上。

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