• Tuesday June 18,2019

O rețea de molecule, care se construiesc reciproc în zorii vieții

Anonim

De fiecare dată când una din celulele din corpul tău se împarte, trebuie să își dubleze cota ADN-ului, astfel încât fiecare celulă fiică să primească un set complet. ADN-ul este un replicator - o moleculă care poate fi repetată cu exactitate, cu siguranță cu ajutorul proteinelor. ADN-ul a făcut acest lucru de miliarde de ani, cu mult înainte de a exista oameni, înainte ca animalele să existe și, probabil, înainte ca primele celule să evolueze.

Dar ce sa întâmplat înainte de DNA? Probabil ARN, o moleculă asociată. Anumite tipuri de ARN pot stoca informații genetice, la fel ca ADN-ul. Și, la fel ca proteinele, pot să se orienteze în forme tridimensionale pentru a accelera reacțiile chimice, printre alte funcții - acestea se numesc ribozime.

Teoria dominantă este că o "lume ARN" a precedat originea vieții. Este posibil ca primii replicatori adevărați ai Pământului să fie molecule de ARN care ar putea să se rostogolească pentru a accelera replicarea lor. S-au copiat. Ei au făcut așa imperfect, creând molecule fiice cu secvențe ușor diferite. Unii dintre ei s-au copiat mai eficient și au lăsat mai mulți descendenți decât colegii lor. Treptat, întreaga populație a evoluat spre o replicare tot mai eficientă.

Dar există o problemă cu această poveste. Moleculele de ARN despre care vorbeam ar fi fost lungi și ar fi pliate într-un complex ribozim. Dar ribozimele pe care oamenii de stiinta le pot face astazi sunt simple si facute din bucati foarte scurte de ARN. Vă puteți imagina o moleculă simplă care crește treptat și se transformă într-una mai complexă, dar această idee are și probleme. Modelele matematice prevăd că acest replicator înfloritor nu ar fi putut să se copieze cu suficientă precizie și ar începe să acumuleze erori. După un timp, s-ar confrunta cu o "catastrofă de eroare", în care acumularea greșelilor o stricase.

Dar dacă nu ar fi fost doar un singur replicator de ARN care să se copieze? Dacă, în schimb, era o rețea întreagă? Această idee a fost inițial relocată în 1971 de chimistul câștigător al Nobel, Manfred Eigen. "El a ajuns la concluzia că un replicator individual nu a putut persista prea mult timp și a venit cu ideea unui hyperciclu", spune Niles Lehman de la Universitatea de Stat din Portland. Adică molecula A ajută B să se copieze. B ajută C, C ajută D și așa mai departe, în final looping înapoi la A.

Eigen a prezis existența hicerculilor folosind matematica. Acum, Lehman a creat ceva similar într-un tub de testare. Aceasta este o schemă controversată și nu confirmă faptul că astfel de rețele au fost cu adevărat implicate în originea vieții, dar arată că ele se pot forma și că ele devin mai complexe în timp. După cum scrie James Attwater și Philipp Holliger de la Universitatea din Cambridge într-o piesă de însoțire, studiul face "un caz convingător pentru beneficiile cooperării chiar și în această etapă în devenire a vieții. Este posibil ca primele gene să nu fi fost atât de egoiste.

Într-un studiu anterior, Lehman a arătat că o bacterie numită Azoarcus are o ribozimă care poate fi ruptă în fragmente separate, care se pot reasambla. Acum, el a descoperit că aceste fragmente pot crea o rețea care pare a fi una dintre hiperciclurile lui Eigen.

Lehman 's student Nilesh Vaidya tweaked ribozyme original pentru a crea trei versiuni care diferă printr-o singură scrisoare. Apoi a spart fiecare câte unul. Fiecare pereche de fragmente se poate asambla în totul, dar foarte ineficient. Acestea funcționează mai bine ca o rețea. Vaidya a proiectat în mod specific ribozimele, astfel încât atunci când prima pereche de jumătăți se întâlnește, acestea accelerează asamblarea celei de-a doua perechi. Acest al doilea ribozim complet completează viteza de asamblare a celei de-a treia perechi, iar acest al treilea ribozim accelerează unirea primei perechi.

Când a amestecat toate cele șase fragmente împreună, sa întâmplat exact. Ei s-au adunat în plin ribozime de până la de 6 ori mai repede decât fiecare pereche individuală ar putea face singuri și producând de 125 ori mai mult decât produsele finite. Ciclurile "cooperative", unde perechile s-au adunat, au învins cele "egoiste", unde s-au adunat.

Aceste șase fragmente au fost proiectate foarte precis și primele piscine de ARN nu au fost atât de specifice. Pentru a arăta că rețelele se pot forma din mai multă haos, echipa a creat grupuri de fragmente diferite, care s-ar putea asambla în 48 de variații ale ribozomei Azoarcus . "Le-am aruncat pe toți într-o eprubetă și l-am lăsat să plece", spune Lehman.

Până la sfârșitul experimentului, echipa avea o eprubetă plină de milioane de ribozyme, inclusiv toate cele 48 de versiuni posibile. Unele dintre ele nu puteau fi produse decât prin rețele și au depășit numerele celor care s-ar fi putut aduna. Echipa a descoperit că, în timp, rețelele au devenit mai complicate. La început, fragmentele se echipează în perechi simple, dar acestea sunt mai târziu înlocuite de cicluri de trei membri și, în cele din urmă, rețele uriașe care implică aproape fiecare fragment. A existat o succesiune de la "replicatori egoiști" la "sisteme de cooperare".

Dar Eors Szathmary, un biolog evolutiv de la Universitatea Eötvös Loránd din Ungaria, spune că lucrarea este "grav conceptual defectuoasă". El se confruntă cu pretențiile lui Lehman că moleculele de ARN cooperează între ele. Într-un sistem cu adevărat cooperant, o ribozime ar accelera replicarea altui. Prin acțiunea primului, ați terminat cu două copii ale celeilalte. Nu este ceea ce se întâmplă în configurația lui Lehman. Moleculele sale accelerează formarea reciprocă. Nu există copii noi; doar versiuni topite ale originalelor. "Nu are sens să vorbim despre cooperarea replicatorilor", spune Szathmary.

Lehman recunoaște că există o distincție, dar el vede fragmentele sale de asamblare ca un precursor al replicatorilor pe care îi cunoaștem astăzi - unde moleculele ARN sunt strânse împreună câte puțin de la "literele" lor componente. Argumentul său este că o astfel de moleculă de auto-construire ar putea apărea din rețelele din ce în ce mai complexe pe care le-a văzut în experimentul său.

Nick Lane, biochimist de la University College London, spune "impresionant" ca retelele de ARN pot aparea in acest fel ", dar nu este convins ca astfel de retele s-ar fi putut forma pe planeta noastra primordiala, fi utile.

Problema este energia. Este nevoie de mult pentru a face ARN, chiar și astăzi cu ajutorul proteinelor. Lane crede că rețelele nu ar fi putut să se reproducă prin catalizări. Ar fi avut nevoie de ajutor din minerale și alte substanțe chimice. "Acest lucru face in mod inevitabil lumea ARN oarecum" murdara ", " spune el. "Îmi imaginez că o astfel de cataliză murdară ar putea juca un haos cu rețele ARN frumoase. Sentimentul meu general este că acest lucru este interesant, dar probabil prea curat și ordonat pentru a avea o semnificație reală în orice realism real al pământului. "

Referință: Vaidya, Manapat, Chen, Brunet, Hayden & Lehman. 2012. Formarea rețelei spontane în rândul replicatorilor ARN cooperativi. Natură //dx.doi.org/10.1038/nature11549

Mai multe despre origini:

  • Un posibil început înghețat pentru viață
  • Arbore sau inel: originea celulelor complexe
  • Originea unei vieți complexe - era vorba de energie
  • Oamenii de stiinta au incheiat un experiment clasic de 53 de ani privind originile vietii


Articole Interesante

Oamenii de stiinta creeaza prima bacterie sintetica care arata ca Craig Venter

Oamenii de stiinta creeaza prima bacterie sintetica care arata ca Craig Venter

Într-o mișcare care a fost salutată ca una dintre cele mai mari descoperiri științifice ale secolului, un grup de oameni de știință au creat o bacterie sintetică care arată ca Craig Venter. Echipa a sintetizat artificial un genom în laborator și a introdus-o într-o celulă bacteriană goală, care a remodelat imediat peretele său exterior într-o imagine a feței lui Venter. "Înainte de

Rezistența la malargie în Cambodgia ridică temerile unui parazit super

Rezistența la malargie în Cambodgia ridică temerile unui parazit super

Malaria în Cambodgia devine din ce în ce mai rezistentă la unul dintre cele mai puternice tratamente anti-malarie disponibile, potrivit unui studiu publicat în New England Journal of Medicine . Acest lucru ar putea provoca literalmente milioane de decese, deoarece malaria, deja cea de-a treia cea mai periculoasă boală infecțioasă din lume, nu răspunde la căile de atac care odată s-au dovedit eficiente împotriva bolii. Medicament

Reducerea drastică a zahărului din sânge ar putea afecta diabetul zaharat

Reducerea drastică a zahărului din sânge ar putea afecta diabetul zaharat

La o întâlnire științifică a Asociației Americane a Diabetului în acest weekend, cercetătorii au avut niște știri dezamăgitoare și unele dezordonate. Două studii noi au arătat că, contrar așteptărilor, reducerea drastică a nivelurilor de zahăr din sânge la pacienții diabetici nu a făcut nimic pentru a reduce riscul de apariție a bolilor de inimă și a accidentelor vasculare cerebrale. În cel mai neliniștit r

Un mouse deschis

Un mouse deschis

Acum câteva luni am ajuns în mașină și am condus spre nord până am ajuns într-o clădire remarcabilă, plină cu câteva milioane de șoareci. La laboratorul Jackson din Bar Harbor, Maine, oamenii de stiinta studiaza soareci pentru a intelege mai multe mistere ale geneticii si medicinei. Dar am fost deosebit de curios în legătură cu un proiect pe care l-au lansat recent: o încercare de a înțelege câte gene care lucrează împreună dau naștere unor trăsături complexe. Atunci când aceste trăsă

Ceea ce Gorila Poop dezvăluie despre propria noastră dietă nedorită

Ceea ce Gorila Poop dezvăluie despre propria noastră dietă nedorită

Cercetătorii care analizează microbii intestinelor din gorile și alte primate au găsit schimbări sezoniere care subliniază cât de mult lipsește din dieta umană modernă - și de ce contează. Chiar acum, găzduiți propriul dvs. ecosistem special. Milioane de microbi trăiesc viețile lor pe pielea ta și în fiecare colț și șuvoi, în special în intestinul tău, unde fac o mulțime de sarcini esențiale. Un fel de gospodine mici

Observatorul energiei: În jurul lumii privind energiile regenerabile

Observatorul energiei: În jurul lumii privind energiile regenerabile

Timp de peste două decenii, producătorul documentar francez Jerome Delafosse, în vârstă de 45 de ani, sa scufundat în oceane din întreaga lume pentru a filma viața marină și este încântat de următoarea expediție - deasupra apei. În această primăvară, el va servi ca explorator șef la bordul Observatorului de Energie , o barcă alimentată de soare, vânt și hidrogen. Într-o primă încercar