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生命起源:达尔文进化论是在生命本身之前开始的吗?

生命起源:达尔文进化论是在生命本身之前开始的吗?

生物学 进化 在线免费翻译
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2021-02-20 18:33:14


 德国慕尼黑路德维希安大学

 

随机序列DNA 12-mers的模板化连接.jpg


随机序列DNA 12-mers的模板化连接。(A)在细胞进化之前,最初的核酶被认为具有基本的细胞功能。在指数巨大的序列空间中,功能性核酶的自发出现是极不可能的,因此可能需要预选机制。(B)在我们的实验中,DNA链在低温下杂交形成三维复合物,该复合物可以在高温解离步骤中连接并保存。系统针对具有特定连接位点基序的序列以及继续充当模板的链进行自我选择。因此,发夹序列被抑制。(C)浓度分析显示在多个温度循环后逐渐出现更长的链。插图(A红色,T蓝色)显示,尽管12聚体(88,009链)具有基本上随机的序列(白色),较长的链(分析的60聚体,235,913链)中出现了各种序列模式。(D)样品在75°C至33°C之间经受不同数量(0至1,000)的温度循环。用SYBR后染色的DNA在PAGE上进行浓度定量。信用:美国国家科学院院刊(2021)。


Ludwig-Maximilians-Universitaet(LMU)在慕尼黑的物理学家进行的一项研究表明,在合理的益生元环境中,分子大分子的基本特征(例如其亚基组成)足以触发选择过程。

在地球上出现生命之前,我们星球上的许多物理化学过程都非常混乱。每种可能的组合中都存在由亚基(例如DNA和RNA中存在的碱基)组成的大量小化合物和不同长度的聚合物。在出现栩栩如生的化学过程之前,必须降低这些系统中的混乱程度。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,可以导致减少疾病的选择过程。

在以前的出版物中,布劳恩(Braun)的研究小组探讨了如何在海底多孔火山岩内狭窄且充满水的室内形成空间秩序。这些研究表明,在存在温度差异和对流现象的情况下,即所谓的Soret效应,RNA链可以以长度依赖的方式局部积累几个数量级。“问题在于,人们获得的较长分子的碱基序列完全混乱,”布劳恩说。

进化的核酶(基于RNA的酶)具有非常特殊的碱基序列,使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很可能具有随机序列。新报告的第一作者帕特里克·库德拉(Patrick Kudella)说:“被称为'序列空间的可能碱基序列的总数非常之大。这实际上使组装功能性核酶或类似酶的复杂结构成为不可能。导致LMU小组怀疑分子扩展形成更大的“寡聚物”受某种预选机制的影响。

与细胞的复杂复制机制相比,在生命起源时只有很少的,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寡聚体的性质。这就是进行Braun小组研究的地方。对于寡聚体的催化功能和稳定性,重要的是它们应形成双链,如众所周知的DNA螺旋结构。这是许多聚合物的基本性质,可与双链和单链部分形成复合物。单链部分可以通过两个过程重建。首先,通过所谓的聚合,其中链由单碱基完成以形成完整的双链。另一种是所谓的结扎。在这个过程中,更长的低聚物被连接在一起。

“我们的实验从大量短的DNA链开始,在我们的早期寡聚体模型系统中,我们仅使用两个互补碱基,腺嘌呤和胸腺嘧啶,” Braun说。“我们假设将链与随机序列连接会导致形成更长的链,其碱基序列的混乱程度较小。” 然后,Braun小组使用也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。该测试证实,在这些实验中,实际上降低了序列的熵,即所恢复序列内的无序度或随机度。

研究人员还能够确定这种“自我产生”秩序的原因。他们发现,获得的大多数序列分为两类-碱基组成为70%腺嘌呤和30%胸腺嘧啶,反之亦然。Braun解释说:“由于两个碱基之一的比例显着增加,该链无法折叠到其自身上,而仍然是连接的反应伴侣。” 因此,在反应中几乎没有形成具有两个碱基的一半的任何链。“我们还看到短的DNA池组成中的微小变形如何留下明显的位置依赖性基序模式,尤其是在长产物链中,” Braun说。结果使研究人员感到惊讶,因为只有两个不同碱基的碱基具有特定碱基比率,因此彼此区分的方式有限。

实验表明,低聚物及其环境的最简单,最基本的特征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作用,这些机制会影响不同长度比例下的链增长,并且是不同因素组合的结果。据布劳恩说,这些选择机制是形成催化活性复合物(如核酶)的先决条件,因此在生命摆脱混乱中发挥了重要作用。

 

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来源于:phys

 

 


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