Science新刊文,造诣生命劈头研讨的里程碑

生命如何劈头是最诱人的科学问题之一。9月25日的Science杂志刊载了一项研讨,科学家构建了以水、氮气、硫化氢、氨气、氰化氢、甲烷作为肇端回响反映物的自立催化收集。这为寻觅生命降生伊始的初期化学回响反映收集供应了研讨线索。


本文来自微信民众号:集智俱乐部(ID:swarma_org),作者:刘培源,审校:小木球,编辑:邓一雪,原文标题:《生命劈头研讨的新里程碑:Science刊文展现前生命化学自催化收集》,题图来自:视觉中国

生命如何劈头?从化学收集中找线索

生命劈头问题的症结应战,是追踪少数几种原始的基底回响反映物如何构建起重要的生命组件并出现出自生成主体。来自波兰科学院的Bartosz A. Grzybowski等学者,于2020年9月25日在“Science”发表文章,引见了他们对生命的化学劈头门路的最新研讨。

Science新刊文,造诣生命劈头研讨的里程碑

原文题目:

Synthetic connectivity, emergence, and self-regeneration in the network of prebiotic chemistry

原文地点:

https://science.sciencemag.org/content/369/6511/eaaw1955

在这篇论文中,研讨者想象了一款名为Allchemy的化学合成算法软件,并用其生成了完全的前生命化学回响反映收集(network of prebiltic chemistry),该收集包含了数万种生物份子与非生物份子。

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图1. 从6种简朴份子构建成的前生命化学收集。图中浅蓝色节点代表非生物份子,深蓝色节点代表新发明的前回响反映物(如柠檬酸和尿酸),赤色节点代表其他生物份子。

研讨者用Allchemy软件构建的前生命化学收集中,使用了已知的614条化学回响反映划定规矩,触及到C、O、N、S等元素。因为到场 P 以后会引发收集范围暴增,所以这项研讨暂未用到 P 元素相干的化学回响反映。

研讨者还公开了Allchemy软件的线上交互版本,并开源了剖析回响反映效果、搜刮回响反映轮回的剧本,感兴趣的朋侪可以尝试:

https://life.allchemy.net/

https://github.com/rmrmg/tree-of-life

进一步的研讨还发明了化学回响反映收集中的三种出现:

  • 构成的份子可以增进新的前生命回响反映,即具有催化才能的份子;

  • 阅历几代回响反映以后,出现出了自催化轮回等化学体系;

  • 收集中包含了表面活性物资,这些是把生物份子和环境隔脱离的基本构造。

前生命化学收集

研讨者以水、氮气、硫化氢、氨气、氰化氢、甲烷作为回响反映底物,构建化学回响反映收集。之所以选这些构造简朴的物资,是因为它们被认为是大概地球初期大气的构成部分。

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图2. 从基底回响反映物到全部收集的迭代历程

6种回响反映底物之间起首互相组合回响反映,构成第一代回响反映产品。第一代回响反映产品和原始底物一同,入手下手下一次迭代。经由如许的多轮迭代,就构成了庞杂的回响反映收集。经由7代回响反映,已构成范围巨大的收集。

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图3. 6种底物与多代回响反映产品构成的前生命化学收集

如图3所示的是研讨者构建的前生命化学收集。这个收集中包含了82中生物份子(氨基酸、多态、核苷酸、碱基、碳水化合物和代谢产品等)和36603中非生物份子。

进一步的剖析表明,前生命化学收集具有很强的鲁棒性。研讨者剪掉63种回响反映划定规矩中的34种,即删除了大批连边,发明收集中所有的生物份子依然可以经由过程其他途径合成。这类高度的鲁棒性与生物的代谢收集具有相似性。

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图4. 收集节点的度散布

如图4所示,该收集也具有无标度特征,其节点的度散布恪守幂律散布。

前生命化学收集的无标度特征意味着,存在少许的中间化学物资(比方甲酸、氰乙炔等),跟着收集的生长,其连边越来越多——越来越多的新生成物与这些中间物资有关。

三种生命劈头前提的出现

这项研讨带来的最大欣喜,是发明了三种必备的生命劈头前提可以夙昔生命化学收集中出现出来。

催化剂的出现

研讨者起首发明,在收集中构成的一些化合物自身可以作为催化剂,增进新的回响反映构成。这增添了迭代产品的品种和回响反映效力,大大拓展了前生命化学收集的空间。

     

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图5. 催化剂引发收集范围的增添

如图5所示的8种催化剂(个中A2和A3反复),可以增进差别范例的回响反映发作。这些份子可以直接作为有机催化剂,也可以与Zn、Cu、Mn等金属阳离子构成合营物催化剂。

箭头的数字表示每种催化剂带来的份子品种数。8种催化剂让份子品种(收集节点数目)在21529个的基本上,新增了34957个,全部收集范围增添了一倍以上。

经由过程收集剖析,研讨者已准确匹配了一些前生物份子和已知催化物配体。因为该收集中份子品种浩瀚,所以还大概存在多种有机物和金属离子构成的合营物催化剂,这些潜伏回响反映还有待进一步发明。

自催化回响反映体系的出现

第二种出现触及到原始化学体系的构成,这逾越了单个回响反映和生物份子的单一合成途径。这类出现之所以重要,是因为周期性的自我复制,等于很多生物历程的中心(比方糖酵解),同时也是生命降生的必要前提。

在本研讨中的前生命化学收集中,迭代到第7代后,已存在多个能自我再生、自我催化的轮回。

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图6. IDA份子的自复制轮回表示

如图6所示,橙色的IDA份子(亚氨基二乙酸)可以在回响反映中复制两份。当PH值从碱性变成微酸性再变成碱性时,它产生了126%的底物。这是一种典范的自催化回响反映。

而在斟酌氨解、水解等前提时,虚线的步骤4和步骤5,也可以用于IDA份子的再生。而且经由1–>2–>4–>5–>1的历程,依然会生成两份IDA。

研讨者进一步试验,肯定了自催化轮回中的总回响反映效力和回响反映物浓度比例之间的关联。在最好浓度比、回响反映时间前提下,IDA回响反映可以到达126%的轮回效力。

表面活性剂的出现

第三类被发明的出现是表面活性剂。

生命劈头的症结一步,是构成与环境泾渭分明的边境,成为相对自力的“个别”。这些表面活性剂份子,有大概构成生命与环境之间最原始的物理边境,从而加快个别内环境的构成。

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图7 

过往的研讨者已发明,可以经由过程醛类化学物的屡次回响反映,构成直链的饱和脂肪酸和阿α- 羟基酸表面活性剂,如图7A所示。

而研讨者经由过程前生命化学收集,发明了取得表面活性剂的更短途径。如图7B所示,初始的氨基酸和羰基硫,经由几步回响反映就可以够构成多肽类的表面活性剂。

找到表面活性剂的较短合成途径,意味着在初期地球环境中有大概经由过程简朴的回响反映步骤,自觉构成原始的细胞—环境边境、以至囊泡构造。

生命劈头之问:代谢优先照样信息优先

物资和信息,是生命劈头故事的两条重要线索,有学者早早就提出了“生命=物资+信息”的洞见。

然则,物资代谢为先照样信息复制为先?这个问题一向是生命劈头研讨的争议核心。

1953年4月,沃森和克里克在Nature发文提出DNA的双螺旋模子[2],科学家终究找到生命代代连续的遗传物资,开启了对生命信息泉源的探究。三周以后,1953年5月,Science刊文引见了米勒的烧瓶闪电试验[3],为生命劈头的物资代谢基本找到第一个证据,开启了生命物资劈头的探究。

米勒尝试考证原始地球环境下生命构成的“原始汤”猜测——只用烧瓶中的水、甲烷、氨气和氢气,借助电火花(模仿地球初期大气中的闪电),就可以构成甲醛、氰化氢等中间体,又进一步回响反映构成氨基酸。这开启了寻觅地球生命初期化学代谢历程的研讨。

米勒试验后,关于生命初期生物化学主体的构造,人们提出了浩瀚重要假说,包含艾根的超轮回假说[4],瓦雷拉的自创生假说[5],甘蒂的化学子假说[6]等,个中走得最远的是斯图尔特·考夫曼关于自催化收集的研讨,取得了一系列试验考证[7~9]

考夫曼想象有几十种份子互相发作化学回响反映,经由一段时间,这些物资就大概构成一个自我催化、自我复制的化学回响反映轮回,称为自催化集(Autocatalytic set)。今后数十年,在精心想象的DNA、RNA、多肽等的互相回响反映的化学试验中,都取得了如许的轮回。由此,考夫曼继承断言:“自催化体系可以构成和进化而无需一个基因组(代谢为先)”。

今后,考夫曼前后和Szathmary,Martin WF等举行过一系列化学和生化模仿并取得一系列自催化收集,却一向未见有经化学试验考证的报导[10]。同时,以复制子为中心的信息为先(基因组为先)模子也取得了不少希望,特别是RNA天下学说[11]

而这篇Science论文,为“代谢为先”理论供应了强有力证据:纵然不依赖信息份子,依然可以从简朴物资的化学代谢中,直接构成雄厚的自催化轮回。作者在计算机模子中找到了一系列具有自复制、自催化才能的轮回,而且在化学试验中考证了个中一部分。RNA等贮存信息的份子,更多是在化学代谢轮回的基本上逐步构成的。

两周前的“Nature Astronomy”刊文,科学家经由过程光谱剖析发明金星大气中存在磷化氢气体[12]。尚不能肯定这些磷化氢是大气层的光化学回响反映产品照样大气微生物的代谢产品,很多学者睁开了议论。而Allchemy平台恰好具有拓展才能,除了本文触及的6种基本物资,还可以引入含磷物资和金星大气的其他物资作为基底,讨论金星磷化氢的大概泉源。

我们推断,这篇“Science”论文会成为生命劈头研讨史的里程碑事宜,为后续探究生命劈头的化学回响反映历程,以至经由过程收集剖析追踪到从原始汤到庞杂生物支架的全历程供应了明白的出发点和研讨东西。从运用角度看,这项研讨也将启示将来的合成生物学和生物制药研讨。

星斗大海,冉冉睁开。

参考文献:

[1] Wolos A, Grzybowski B A, el al. Synthetic connectivity, emergence, and self-regeneration in the network of prebiotic chemistry[J].Science ,2020, 369(6510).

[2] Watson J D, Crick F H C. Molecular structure of nucleic acids: a structure for deoxyribose nucleic acid[J]. Nature, 1953, 171(4356): 737-738.

[3] Miller S L. A production of amino acids under possible primitive earth conditions[J]. Science, 1953, 117(3046): 528-529.

[4] Eigen M. Selforganization of matter and the evolution of biological macromolecules[J]. Naturwissenschaften, 1971, 58(10): 465-523.

[5] Varela F G, Maturana H R, Uribe R. Autopoiesis: The organization of living systems, its characterization and a model[J]. Biosystems, 1974, 5(4): 187-196.

[6] Gánti T. Chemoton theory: theory of living systems[M]. Springer Science & Business Media, 2003.

[7] von Kiedrowski G. A self‐replicating hexadeoxynucleotide[J]. Angewandte Chemie International Edition in English, 1986, 25(10): 932-935.

[8] Solntsev K M, Sullivan E N, Tolbert L M, et al. Excited-state proton transfer reactions of 10-hydroxycamptothecin1[J]. Journal of the American Chemical Society, 2004, 126(39): 12701-12708.

[9] Lam B J, Joyce G F. Autocatalytic aptazymes enable ligand-dependent exponential amplification of RNA[J]. Nature biotechnology, 2009, 27(3): 288-292.

[10] Kauffman S A. Approaches to the origin of life on earth[J]. Life, 2011, 1(1): 34-48.

[11] Gilbert W. Origin of life: The RNA world[J]. nature, 1986, 319(6055): 618-618.

[12] Greaves J S, Richards A M S, Bains W, et al. Phosphine gas in the cloud decks of Venus[J]. Nature Astronomy, 2020: 1-10.

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