Без кейворда

Содержание: [Показать]

Исследователи из Брукхейвена Сергей Маслов (слева) и Алексей Ткаченко разработали теоретическую модель, объясняющую саморепликацию молекул.

АПТОН, штат Нью-Йорк. Около четырех миллиардов лет назад на Земле появились первые предшественники жизни. Сначала небольшие простые молекулы или мономеры, соединенные вместе в более крупные и более сложные молекулы или полимеры. Затем эти полимеры разработали механизм, который позволил им самовоспроизводиться и передавать свою структуру будущим поколениям.

Нас бы здесь не было, если бы молекулы не совершили роковой переход к самовоспроизведению. Тем не менее, несмотря на то, что биохимики потратили десятилетия на поиск конкретного химического процесса, который может объяснить, как простые молекулы могут совершить этот скачок, мы до сих пор не понимаем, как это произошло.

«Теперь у нас есть механизм появления полимеров, которые потенциально могут нести и передавать информацию, переводя нас от первобытного супа к первозданному суфле».

- Брукхейвенский исследователь Алексей Ткаченко

Теперь Сергей Маслов, вычислительный биолог из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США и адъюнкт-профессор Университета Стоуни-Брук, и Алексей Ткаченко, ученый из Брукхейвенского центра функциональных наноматериалов (CFN), выбрали другой, более концептуальный подход. Они разработали модель, объясняющую, как мономеры могут очень быстро перейти к более сложным полимерам. И то, на что указывает их модель, может иметь интригующие последствия для работы CFN по разработке искусственной самосборки в наномасштабе. Их работа опубликована в выпуске журнала «Химическая физика» от 28 июля 2015 года .

Чтобы понять их работу, давайте рассмотрим самый известный органический полимер и носитель генетического кода жизни: ДНК. Этот полимер состоит из длинных цепочек определенных мономеров, называемых нуклеотидами, из которых четыре типа - аденин, тимин, гуанин и цитозин (A, T, G, C). В двойной спирали ДНК каждый конкретный нуклеотид спаривается с другим: A с T и G с C. нетронутый.

Хотя ДНК стала предпочтительной молекулой для кодирования биологической информации, ее близкая родственница РНК, вероятно, сыграла эту роль на заре жизни. Это известно как гипотеза мира РНК, и это сценарий, который Маслов и Ткаченко рассматривали в своей работе.

Единичная полная цепь РНК называется цепочкой-матрицей, а использование матрицы для объединения фрагментов мономера - это так называемое лигирование с помощью матрицы. Эта концепция лежит в основе их работы. Они спросили, может ли это объединение дополнительных цепей мономеров в более сложные полимеры происходить не как исцеление сломанного полимера, а скорее как образование чего-то нового.

«Допустим, у нас вообще нет полимеров, и мы начнем с мономеров в пробирке», - пояснил Ткаченко. «Сможет ли эта смесь когда-нибудь найти эти полимеры? Ответ весьма примечателен: да, будет! Можно подумать, что существует некоторая проблема курицы и яйца - что для того, чтобы производить полимеры, вам уже нужны полимеры. предоставить шаблон для их формирования. Оказывается, на самом деле это не так ".

Прививать память

Схематический рисунок лигирования с помощью шаблона, показанный в этой модели, дает начало автокаталитическим системам.

Модель Маслова и Ткаченко представляет собой некий регулярный цикл, в котором условия меняются предсказуемым образом - скажем, переход от ночи к дню. Представьте себе мир, в котором сложные полимеры распадаются днем, а ночью восстанавливаются. Наличие шаблонной нити означает, что полимер собирает себя точно так же, как это было прошлой ночью. Этот процесс самовоспроизведения означает, что полимер может передавать информацию о себе от одного поколения к другому. Эта способность передавать информацию - фундаментальное свойство жизни.

«То, как наша система воспроизводит от одного дневного цикла к другому, заключается в том, что она сохраняет память о том, что там было», - сказал Маслов. «Относительно легко сделать много длинных полимеров, но у них не будет памяти. Шаблон обеспечивает память. Прямо сейчас мы решаем проблему, как получить длинные полимерные цепи, способные передавать память от одного блока к другому, чтобы выбрать небольшой набор полимеров из астрономически большого количества растворов ».

Согласно модели Маслова и Ткаченко, молекулярной системе требуется лишь очень крошечный процент более сложных молекул - даже просто димеры или пары идентичных молекул, соединенных вместе, - чтобы начать слияние в более длинные цепи, которые в конечном итоге станут самовоспроизводящимися полимерами. Это аккуратно обходит одну из самых неприятных загадок происхождения жизни: самовоспроизводящиеся цепи, вероятно, должны быть очень специфическими последовательностями, по крайней мере, из 100 парных мономеров, но вероятность того, что 100 таких пар случайно соберутся в правильном порядке, практически равна нуль.

«При подходящих условиях происходит то, что мы называем переходом первого рода, когда вы переходите от этого супа полностью диспергированных мономеров к этому новому раствору, в котором появляются эти длинные цепочки», - сказал Ткаченко. «И теперь у нас есть этот механизм появления этих полимеров, которые потенциально могут нести информацию и передавать ее вниз по потоку. Как только этот порог будет преодолен, мы ожидаем, что мономеры смогут образовывать полимеры, переводящие нас от первобытного супа к первозданному суфле. "

Хотя концепция лигирования с помощью матрицы действительно описывает, как ДНК, а также РНК, восстанавливаются сами по себе, работа Маслова и Ткаченко не требует, чтобы какой-либо из них был конкретным полимером для происхождения жизни.

«Наша модель может также описывать молекулу прото-РНК. Это может быть что-то совершенно другое», - сказал Маслов.

Порядок от беспорядка

Тот факт, что модель Маслова и Ткаченко не требует наличия определенной молекулы, говорит об их более теоретическом подходе.

Это видео исследует новую модель, полностью описанную в The Journal of Chemical Physics, от AIP Publishing, которая предлагает потенциальный механизм того, как могла возникнуть саморепликация.

«Это иной менталитет, чем то, что сделал бы биохимик», - сказал Ткаченко. «Биохимик был бы зациклен на определенных молекулах. Мы, будучи невежественными физиками, пытались продвинуться с общей концептуальной точки зрения, поскольку это фундаментальная проблема».

Эта фундаментальная проблема - второй закон термодинамики, который гласит, что системы имеют тенденцию к увеличению беспорядка и неорганизованности. Образование длинных полимерных цепей из мономеров прямо противоположно этому.

«Как начать с обычных законов физики и добраться до этих законов биологии, которые заставляют вещи двигаться в обратном направлении, что делает вещи более сложными, а не менее сложными?» - поинтересовался Ткаченко. «Это именно тот скачок, который мы хотим понять».

Приложения в нанонауке

Эта работа является результатом усилий Центра функциональных наноматериалов, Управления науки Министерства энергетики США, по использованию ДНК и других биомолекул для управления самосборкой наночастиц в большие упорядоченные массивы. Хотя CFN обычно не фокусируется на таких первичных биологических вопросах, работа Маслова и Ткаченко по моделированию может помочь ученым CFN, занимающимся передовыми исследованиями в области нанонауки, создавать еще более крупные и сложные сборки с использованием наноструктурированных строительных блоков.

«Существует огромный интерес к созданию инженерных самосборных конструкций, поэтому мы, по сути, думали сразу о двух проблемах», - сказал Ткаченко. «Один имеет отношение к биологам, а второй спрашивает, можем ли мы создать наносистему, которая будет делать то, что делает наша модель».

Следующим шагом будет определение того, может ли лигирование с помощью матрицы позволить полимерам начать претерпевать эволюционные изменения, которые характеризуют жизнь в том виде, в каком мы ее знаем. В то время как этот первый раунд исследований требовал относительно скромных вычислительных ресурсов, следующий этап потребует гораздо более сложных моделей и симуляций.

Работа Маслова и Ткаченко решила проблему того, как длинные полимерные цепи, способные передавать информацию от одного поколения к другому, могут появиться из мира простых мономеров. Теперь они обращают свое внимание на то, как такая система могла бы естественным образом сузить себя от экспоненциально большого количества полимеров до лишь нескольких избранных с желательными последовательностями.

«Нам нужно было показать здесь, что это лигирование на основе шаблона действительно приводит к набору полимерных цепей, начиная только с мономеров», - сказал Ткаченко. «Итак, следующий вопрос, который мы зададим, заключается в том, сможем ли мы из-за этого слияния на основе шаблонов видеть определенные последовательности, которые будут более« подходящими », чем другие. Таким образом, эта работа создает основу для перехода к дарвиновскому подходу. фаза ".