生命的第一个分子是蛋白质,而不是RNA,新模型建议

作者: 东西数码

生命的第一个分子是蛋白质,而不是RNA,新模型建议

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在科学家关于地球生命如何开始的猜测中,(作者: 东西数码)蛋白质通常在RNA分子后面占据一席之地  。然而,一种描述早期生物聚合物长到足以折叠成有用形状的新计算模型可能改变这一点。如果能够维持,那么现在正在指导实验室实验进行确认的模型可以重建蛋白质作为原始自我复制生物分子的声誉。

对于研究生命起源的科学家来说  ,最大的鸡或鸡蛋问题之一是:首先 – 蛋白质还是核酸,如DNA和RNA?四十亿年前,基本的化学积木产生了更长的聚合物,这些聚合物具有自我复制和执行生命必需功能的能力:(作者: 东西数码)即储存信息和催化化学反应。对于生命的大部分历史,核酸已经处理了前者的工作,而后者则是蛋白质。然而,DNA和RNA载有制造蛋白质的说明,而蛋白质则将这些说明书作为DNA或RNA进行提取和复制。哪一个可以独自处理这两个工作?

几十年来,最受青睐的候选人一直是RNA–特别是自20世纪80年代发现RNA可以折叠并催化反应,就像蛋白质一样。后来的理论和实验证据进一步  支持了“RNA世界”的假说  ,即  生命中出现了  能够催化更多RNA形成的RNA。

但RNA也  非常复杂和敏感,(作者: 东西数码)一些专家怀疑它可能在益生元世界的恶劣条件下自发产生。此外,RNA分子和蛋白质必须采取长折叠链的形式来完成它们的催化工作,而早期的环境似乎会阻止任何核酸或氨基酸的串长得足够长。

纽约Stony Brook大学的Ken Dill  和  Elizaveta Guseva与 加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室的Ronald Zuckermann一起  为美国科学院院刊 (PNAS)  的难题  提出  了一种可能的解决方案) 这个夏天。随着模型的推出,他们非常简单。莳萝于1985年开发出来以帮助解决“蛋白质折叠问题”,该问题涉及蛋白质中氨基酸序列如何决定其折叠结构。他的疏水极性(HP)蛋白质折叠模型将20种氨基酸视为两种亚基,他将其比作项链上不同颜色的珠子:蓝色,爱好水珠(极性单体)和红色,水憎恨(非极性单体)。该模型可以沿着二维点阵的顶点依次折叠这些珠子链,就像将它们放置在棋盘的连续正方形上一样。(作者: 东西数码)给定珠粒占据哪个方形取决于红色疏水珠粒聚集在一起的倾向,以便它们能够更好地避免水分。

生物物理学家迪尔在整个20世纪90年代使用这种计算来回答关于蛋白质序列的能量景观和折叠状态的问题。直到最近他才想到将该模型应用于早期地球 – 以及从益生元化学过渡到生物学。“化学不是自利的,生物就是,”迪尔说。“这种自我服务的第一颗种子是什么?”

他认为,答案在于可折叠聚合物或折叠聚合物。(作者: 东西数码)在他的模型中,他生成了一组疏水性和极性单体的排列:所有可能的红蓝色项链的完整分类,长度可达25个珠子。只有2.3%的这些序列崩塌成紧凑的折叠结构。只有12.7%的人 – 仅仅是原来的0.3% – 折叠成构象,在其表面上暴露出疏水的红珠。

这个补丁可以作为一个吸引人的粘性着陆垫,用于疏水部分漂浮的序列。如果单个红色珠子和红尾链同时落在疏水贴片上,热力学有利于两个连接在一起的序列。换句话说,贴片作为延长聚合物的催化剂,加速了这些反应的十倍。迪尔说,虽然这个幅度的增幅很小,但它很重要。

AUTOCATALYTIC折纸

大多数这些细长的聚合物只是继续前进。但有一些最终折叠,有些甚至有自己的疏水贴片,就像原来的催化剂一样。当发生这种情况时,具有着陆垫的折叠分子不仅继续形成越来越多的长聚合物,而且最终还构成了所谓的自催化装置,其中折叠聚合物直接或间接地催化自身的形成。有时两个或多个foldamer可以通过增强彼此形成的反应来进行相互催化。虽然这样的组合很少见,但这些分子的数量会呈指数增长,并最终接管益生元汤。“这就像点燃一场比赛,并设置森林大火,”。

“这就是它的全部魔力,”他补充说(作者: 东西数码),“一个小事件的能力可以将自己用于更大的事件。”

所有这些都需要启动这个过程,这是他的模型可以预测的疏水性和极性组分的特定序列。“迪尔模型显示只需要这两个属性,说:”  彼得·舒斯特,在维也纳大学理论化学和名誉教授。“这是一个美丽的理论成果。”

美国宇航局计算天体生物学和基础生物学中心主任Andrew Pohorille说:“ 它对基于RNA世界假说的生命起源的看法产生怀疑  。” 对他和其他一些科学家来说,蛋白质似乎是一个“更自然的起点”,因为它们比核酸更容易制造。Pohorille认为,在最早的生命早期发现的信息存储系统将比现代细胞中的核酸系统晚一些。

“人们不喜欢蛋白质第一的假设,因为我们不知道如何复制蛋白质,”他补充道。“这是一个尝试,即使你不能像复制RNA一样真正复制蛋白质,你仍然可以建立和发展一个没有这种精确信息存储的世界(作者: 东西数码)。”

这种肥沃的信息丰富的环境可能因此对RNA的出现更加欢迎。由于RNA在自催化作用方面会更好,长期来看它会受到自然选择的青睐。“如果你从一个更简单的模型(比如Dill’s)开始,像RNA这样的东西可能会在以后出现,并且它会成为制作游戏中的赢家,” 基因组学研究人员Doron Lancet说  ,他已经开发了他自己的基于化学的简单模型在以色列的魏茨曼科学研究所工作。

用类似物寻求证明

当然,所有这些的关键在于实际的实验。德国明斯特WestfälischeWilhelms大学的分子进化学教授Erich Bornberg-Bauer说:“所有可以追溯到超过2.5至30亿年的事物都是猜测  。他将迪尔的工作描述为“真正的概念验证”。 如果真的要与RNA世界假设打好关系,那么该模型仍然需要在实验室中与其他理论模型和实验研究进行对比测试  。否则,“这就像是关于物理学家的笑话[假设]奶牛是完全弹性的球形物体,” 安德烈·卢帕斯说。 ,德国马克斯普朗克发育生物学研究所蛋白质进化系主任,他相信RNA-肽世界,其中两个共同起作用。(作者: 东西数码)“任何意义最终都来自经验方法。”

这就是为什么扎克尔曼是Dill在PNAS  论文上的共同作者之一  ,已经开始研究一个他希望证实迪尔的假设的项目。

二十五年前,在Dill提出他的HP蛋白质折叠模型的时候,Zuckermann正在开发一种合成方法来创建称为peptoids的人造聚合物。他用这些非生物分子来制造蛋白质模拟物质。现在他正在使用类肽来测试HP模型的预测,通过检查序列是如何折叠以及它们是否会产生好的催化剂。在这个实验过程中,(作者: 东西数码),他和他的同事们将测试数千个序列。

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