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当代的生命起源研究

2010-12-08
生命起源研究,生命起源
当代的生命起源研究
reader666666于2010-11-15 09:06:43翻译 | 已有474人浏览

NPR/Stuart Kauffman 关于生命起源的工作正在迅速进入一个重要的科学进展阶段。在简单的历史回顾以后,我想至少讨论一下我对于生命起源研究的当代进展的看法。我首先说, 无论是以DNA分子的形式还是以RNA分子的形式,人们已经成功地进行了分子的集体自催化集复制。这个成果是惊人的,也是真实的。

Tags:研究 | 复制 | 当代 | 生命起源 | 集体自催化集

当代的生命起源研究
NPR/Stuart Kauffman
关于生命起源的工作正在迅速进入一个重要的科学进展阶段。在简单的历史回顾以后,我想至少讨论一下我对于生命起源研究的当代进展的看法。
我首先说, 无论是以DNA分子的形式还是以RNA分子的形式,人们已经成功地进行了分子的集体自催化集复制。这个成果是惊人的,也是真实的。
最复杂的分子当属斯克里普斯(Scripps)的礼查-格德瑞和他的前博士后研究员,戈嫩Askanazy(他现在本古里安大学)创建的,包括9种多太分子链,每个有32种长氨基酸,即从这9种多肽分子片段,彼此相互促化形成。至关重要的是,这些结果决定性地表明,分子复制过程,不需要以DNA,RNA的模板为基础。
同样重要的是,这些集体自催化集是基于连接反应的,在那里,反应中的32种氨基酸序列形成了折叠到自身的阿尔法螺旋,而因为这一点,它可以绑定15种氨基酸序列和17种来自另外九种多肽的序列片段,以及自己形成阿尔法螺旋。 这32种氨基酸序列,然后与那两种片段连接,它们然后构成了32种中的其他9种长多肽的第二套副本。在这里,不是32种长多肽复制自身,这一结合作为一整体,实现了催化“封闭”,即,每个必须被催化的反应是由一个集体催化集的成员催化的。
最近斯克里普斯的杰拉尔德-乔伊斯报告说,在他的实验中,两个RNA序列形成了集体催化集,各自催化形成对方序列的碎片之间的连结。
作为沃森-克里克的模板链模型的补充的另一种自催化假设,是通过连结或其他催化反应,希望能通过按顺序添加核酸形成一个称为"核酶"的RNA的酶,核酶能够作为一个“聚合”酶来催化任何RNA模板的复制。
这种核糖核酸催化剂聚合酶可以自我复制,因此是一个自我复制的分子。尚没有发现这样的RNA分子,但是,从有巨大多样性的RNA分子库进化出这样的RNA序列的工作正在认真进行中,有可能的成功。怀特黑德研究所的大卫-巴特尔是在这一努力的领导者。
这些和下面讨论的其他工作,代表着形成体外生命系统的研究工作的重大进展。

生命起源以前的化学
50年代著名的米勒-尤里实验,向封闭的充满还原气氛,包括甲烷,二氧化碳和其他化合物以及水的系统里,放电火花的方法,来模拟一个生命起源以前的“海洋”。令人惊讶的结果是形成了一些与生物相关的氨基酸。这个结果激起了许多年的关于生命起源以前的化学实验。总之,氨基酸是很容易制造的,核苷酸也是可以制造的,但是有相当的难度,其他重要的生物小分子也可以被"无生命地"合成出来。总的结论是,“原始汤”可能已经在地球上形成过。
相反,"原始汤"的小有机分子也可能是从太空抵达地球的。一些陨石中有机物很丰富。最近分析了一颗约40年前在澳大利亚落下的著名的默奇森陨石,并证明它至少有14,000种不同的有机分子,它们有能力再组成,形成上百万种的其它有机分子。这些陨石的组合,可能是早期的地球上的有机小分子多样性的唯一或主要的来源。

无酶模板复制RNA分子的早期努力
RNA分子能像DNA分子那样形成双链螺旋,通过沃森-克里克配对,两个螺旋的核苷链互补。后来,索尔克研究所的莱斯利-欧高,花费了他一生的许多年时间,试图获得一个单链的RNA,以便从不含单核苷酸的溶液里,排列出四个RNA核苷酸,A, U,C和G,利用它作为模板,通过适当的3'-5'磷酸二酯键, 让这些核苷酸形成第二条互补链,然后融化两条链,再重复这种循环。这将实现无聚合酶参与的分子复制。到目前为止,由于种种化学原因,欧高型的实验没有获得成功,虽然将来他们也许会成功。

脂质体
细胞膜是双脂质层。我们高兴地看到,细胞膜的模拟装置可以简单地由分子形成,甚至由默奇森陨石里采来的分子形成。如果胆固醇(一种脂质)在水中溶解,它能形成双脂质膜。膜封闭以后,形成称为脂质体的空心球。一种思路是,脂质体本身是早期的自我复制结构。L。Luisi已经形成了自我再生的脂质体。
此外,任何在原始地球上,形成诸如查德理和Askanazy结果的聚合物的自催化集的希望,似乎需要找到一些方法来隔绝反应生成物,使他们的扩散不超出各自的反应范围。

反应循环中的网络催化。
某些化学反应循环能产生一个参加反应的有机分子的额外的副本。 代谢中的TCA循环是一个例子,如果反向运行,它能产生多步反应循环中的一个反应物的额外的副本。一些研究者,尤其是哈罗德-Morowitz,认为这种“网络催化”作用在生命起源中起到重要的作用。
一个新的被称为"系统化学"的领域正在形成,它不久将能够分析有机分子的大规模的反应网络,人们可以在计算机上或实验室里测试有多少这样的网络催化存在,以及它们是如何相互作用的。
像上面那样的有机反应网络方面的工作,是一项为了理解作为氨基酸,核苷酸和脂质的基石的小分子的新陈代谢,如何在生命起源中发生的更大努力的一部分。
显然,加速这种反应网络中的很多反应的催化剂,能够并且已经出现了。当前代谢的每个反应步骤都有一个特定的蛋白质催化剂,或酶,使得代谢形成了相互连接的催化反应的网络。

理论框架
三个互相替代但在许多方面有互补性的理论于1971年提出。曼弗雷德-艾根提出了超循环理论。艾根猜想一套成对复制的互补的RNA,其中每一个都能够像上文所述的欧高型的实验那样复制本身。然后,艾根猜想每一个这样互补的N对RNA链的"+" 和"-",可以“帮助”N对中的下一个的"+" 和"-"链进行复制,围绕N对互相复制的RNA进行循环。
人们对这种“超循环模型”进行了深入研究,读者可以参考艾根和彼得舒斯特的著作“超循环”。
同年,T-甘蒂提出"电化学转换器"的模型,这是一个早期最先进的模型。它包含所有的上述三个组成部分,一个能复制的分子,通常能够互补的RNA对或与上述的欧高实验里那样的模板复制的类RNA链,
此外,甘蒂假定有一个代谢过程,来提供一个开放的远离平衡系统的化学反应所需的核甘酸,他假设需要一个边界膜包在这些组件上。
第三个理论框架是我自己在同一年提出的,随后于1986年,在我的书“有序的起源”,“在宇宙的家中”,“调查”和“重新发明神圣”中也提到过。
我自己的关于集体自催化系出现的理论的核心思想很简单,涉及到在所谓的“随机图”里的阶段过渡。请你考虑地板上有一千个钮扣和一轴红色的线。用一段一段的红色的线段,把随机选择的钮扣,一对一对地连在一起。重复这一过程,用红线连接随机选择的钮扣对。你时不时地抬高一只钮扣,看看有多少钮扣跟它一起被拉起来。这种成集群的钮扣被称为“随机图”中的“相互连接着的组件”,其中的"图"就是一些由线连接的节点的集合。
鄂尔多斯和Renyi在1959年和1960年就表明了,当线段与钮扣的比值增加时,起初有一些小群的钮扣,然后出现中等规模的钮扣集群,然后一个美妙的事情发生了。几条
随机增加的线段,把所有的或大部分的中等规模的钮扣集群连接在一起,成了一个巨大的集群或巨大的组件图形。从数学上讲这种转型,像冰融化成水一样,是个“一级的”相变。对于大量的钮扣,或节点,随着连接线段或边缘线数量的增加,系统突然从离散的断开的小群跳转到一个巨大的连接群。
考虑到这种阶段转变,我的想法很简单。考虑一个线性的,由两个单体A和B构成的聚合物集,考虑所有单体及聚合物的长度可达到M个,只考虑其中的切割和连接反应,
这就是说,AB与BA可以连结形成ABBA,或 ABBA 可以切割形成 A 和 BBA 。
很容易显示出来,直观而又明显,随着系统中分子数目的增大,它们中间反应的数量增长的更为迅速。例如,长度为M的最长的聚合物,可以通过连结较小的碎片,形成M - 1个连接,因此,这个长度为M的最长的聚合物,可以有M - 1种方式形成。很容易表明,化学反应数目与分子数的比值是M - 2,从而,聚合物的反应数目的增加与聚合物的最长的长度之间是“线性”关系。
这个理论的最后一步是很简单的。我们需要知道是否有任何聚合物可以催化反应体系中的任何一个反应。一个简单的假设是,任何分子催化任何反应,都有一个固定的概率P。那么很容易证明,由于分子的多样性增加,越来越多的反应能被催化,因此反应可以迅速发生。最后有这么多的反应被催化,于是,一个巨大的催化反应网络形式了,这就是集体自催化。
总之,从这个观点来看,集体自催化的出现是可以预期的反应阶段变化,在那里有众多的可以进行反应的分子,这些反应本身也是催化的对象。1986年,法马,惠普和考夫曼的计算机实验工作证明了这些观点。更多这样的集体自催化集可以演变为新集,所以演变可能发生。
最近,W。Hordijk和M。斯梯已经以解析方法证明了上述阶段变化的发生,而预期的聚合物实现自催化集所需要的催化反应数大约在1到2之间。作者认为, 这个估计无论是对于RNA的核酶或者是多肽,或两者一起,都是合理的。
在“秩序的起源”一书中,我描述了一个用来支持自催化的代谢反应的连接催化集的出现。
在实验上,现在可以生成一个大型的库,包含随机的DNA,RNA及肽或多肽。T。LaBean,以及最近LLuisi的工作已经表明,随机多肽折叠的相当容易。在一个称为"组合化学"的领域里,一个子域被称为“噬菌体展示”。在这里,称为噬菌体的使细菌感染的病毒,被设计成这样,即每一种病毒表面都涂了一层独特的随机的肽。实验工作表明,每大约一百万个随机的肽里,就有一个可以绑定一个特定的分子靶。这种蛋白质被称为"肽适配",可以用于寻找候选的新药物。
使用这样的库,我们应该很快就可以测试查明,随着分子系统的多样性的增加,集体自催化集是否会出现。

三个最后但主要的观点:
1。 显然,有必要把分子繁殖,代谢,脂质边界膜和原生细胞的繁殖都放在一起综合考虑。
2。上述系统是生物化学家所说的“放能”系统,它们是完全自发的过程。真正的细胞与非自发过程连接,称为吸能,未经输入自由能反应不会发生,供应了自由能,过程自发进行。这一点必须与热力学功循环的表现一起考虑,热力学连系到自发过程和像发动机那样的非自发过程。真正的细胞有作功的循环。
3。重要的是,如果早期生命以如上所述的方式开始,细胞的使用DNA,RNA和蛋白质代码的“达尔文过渡”,必须在某个时候通过遗传密码发生。几乎可以肯定,这种DNA,RNA和蛋白质系统进化的能力,要比上述所希望的原始细胞的更大一些。
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