ЗЕМНАЯ МИССИЯ МИНЕРАЛОВ (25)

МЕНЮ


Главная страница
Поиск
Регистрация на сайте
Помощь проекту
Архив новостей

ТЕМЫ


Новости ИИРазработка ИИВнедрение ИИРабота разума и сознаниеМодель мозгаРобототехника, БПЛАТрансгуманизмОбработка текстаТеория эволюцииДополненная реальностьЖелезоКиберугрозыНаучный мирИТ индустрияРазработка ПОТеория информацииМатематикаЦифровая экономика

Авторизация



RSS


RSS новости


Продолжение статьи ПРОИСХОЖДЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ГОМОХИРАЛЬНОСТИ НАРЯДУ С ПРОИСХОЖДЕНИЕМ ЖИЗНИ «The origin of biological homochirality along with the origin of life». Chen Y, MaW(2020); PLoS Comput Biol 16(1): e1007592. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1007592. Начало см. Запись на ЛС от 10 и 13.07.21.

ОБСУЖДЕНИЕ

Согласно концептуальному анализу группы Higgs’ (Wu M, Walker SI, Higgs PG. Autocatalytic replication and homochirality in biopolymers: is homochirality a requirement of life or a result of it? Astrobiol. 2012; 12:818–829), возникновение гомохиральности в то же время, что и происхождение жизни, означает, что «нет асимметрии в мономерах» и «автокаталитические биополимеры создают хиральное смещение». Описанный здесь сценарий, это просто такой вид

био-гомохирального происхождения, с учетом автокаталитической особенности матричного синтеза и поверхностного синтеза (при праймер эффекте), а также автокаталитической особенности рибозимных реакций. В более поздних работах ими было объяснено, что синтез полимеров и эволюцию до появления рибозим следует обобщить в «химическую эволюцию» и «это - не совсем жизнь». Если это так, то настоящая статья предлагает, что разрушение хиральной симметрии произошло на уровне полимера до происхождения жизни и способствовало появлению инициированных функциональных полимеров (с гомохиральностью), которое затем усилило хиральное смещение - во время происхождения жизни. Однако, если мы признаем, что происхождение жизни только началось с химической эволюции, а затем приступило к биологической эволюции, в том смысле, что возникающее и последующее усиление хирального смещения, как описано здесь, только что охватывало такую «границу между жизнью и не жизнью», то всё это еще вполне разумно для фразы сценария как «происхождение биологической гомохиральности вместе с происхождением жизни».

С идеей, что гомохиральность может возникнуть на уровне мономера, некоторые исследования были сосредоточены на формировании кристалла чистой хиральности от рацемического раствора мелких молекул, через процесс, называемым «хиральная амнезия» (‘chiral amnesia’). Основная проблема, касающаяся этой мысли: даже если мономеры чистой хиральности могут собираться таким образом, принимать участие в реакции полимеризации, чтобы дать возможность образоваться биополимерам, они должны повторно растворяться в растворе, в котором рацемизация неизбежна. Несмотря на сомнение в актуальности этой мысли о происхождении биологической гомохиральности, отметим, что формирование гомохиральности полимеров, как описано в настоящем исследовании, в принципе очень похоже на процесс «хиральной амнезии». Как мы знаем, два типа энантиомеров почти одинаковы во всех химических / физических аспектах, и достаточно сложно «выбрать» один тип, но «игнорировать» другой по обычным физико-химическим механизмам. Хиральная кристаллизация обеспечивает возможное решение: то есть пусть маленькие молекулы (те, которые уже в кристалле) выбирают

самостоятельно (других в растворе), а балансировка рацемизации в решении повернет эти молекулы противоположного типа в «правильный тип». Точно так же во время полимеризации РНК, либо матричной, либо поверхностной, эти мономеры (остатки) уже в полимере, который выбирает «правильные» мономеры, которые должны быть включены в следующий шаг, и рацемизацию нуклеотидных предшественников, случайным образом происходит переход противоположного типа в «правильный» (см. РИС. 1). Интересно, что аналогичные идеи были выражены в недавнем обзоре в этой области, предлагая возможность формирования хирального отклонения на уровне полимера (хотя представлен в более абстрактном контексте - без конкретного сценария, связанного с нуклеотидами и РНК).

Здесь мы исследуем механизмы, касающиеся возникновения биологической гомохиальности на уровне полимера на основе сценария Мира РНК.

Если жизнь действительно началась с мира РНК, и впоследствии преобразована в мир ДНК / РНК / белков, ДНК может унаследовать гомохиральность РНК, естественно (в виде D-типа) путем шаблон-направленного синтеза, но возникновение L-протеинов (с однонаправленными остатками L-аминокислот) может быть более сложным - возможно, при участии специальных рибозим, в зависимости от процесса и механизмов, участвующих в появлении ‘translation machine’ («машинного перевода»). В качестве альтернативы, как мы отмечали, логика по поводу идеи Мира РНК на самом деле не непоколебима (для подробного обсуждения см. [Ma WT. What does "the RNA world" mean to the origin of life"? Life. 2017; 7:49.]).

Если бы жизнь на самом деле была инициирована, скажем, миром РНК / белков, появление L-белков также может включать в себя определенный процесс (ы) относительно возникновения гомохиральности на полимере, вытекающем из рацемических аминокислот или их предшественников, возможно, в некоторых аспектах, аналогичных сценарию, описанному здесь на РНК (например, путем поверхностного опосредованного синтеза; но обратите внимание, что матричный синтез не должен быть доступен для белков). В нем могли быть взаимодействия между двумя процессами хирального отклонения - относительно РНК и белков соответственно.

Это заслуживает того, чтобы упомянуть, что в истории известна серия теоретических исследований в отношении происхождения биогомохиральности, сопровождающее появление биополимеров, которые в значительной степени происходит из плодотворной работы Sandars (2003). Однако такие исследования моделирования решали эту проблему довольно абстрактным образом. Например, они даже не рассматривали шаблон-направленный синтез полимеров, который играл ключевую роль в обеих эволюциях - химической и биологической (то есть, дарвиновская эволюция, основанная на молекулярной репликации). В моделях полимеризация проходит только по нешаблонному (non-templated) пути (то есть, синтез de novo). Другим замечательным упрощением является то, что нет последовательности функциональных полимеров, которые предполагались катализировать синтез мономеров с теми же характеристиками, что и их собственные (таким образом, с ролью несколько похоже на NSR в настоящем исследовании). Sandars предположил, что полимеры с максимальной длиной, разрешенной в его модели, могут действовать как такие катализаторы и модифицированные версии модели обычно предполагают, что все виды полимеров (независимо от длины) способствовали общей каталитической эффективности. Такие предположения пошли против генеральных «биологических чувств» - возможно, потому что концепция полимеризации

здесь распространяется от классических химических моделей, которые рассматривают исключительно особую проблему димеризация (в которой сами мономеры действуют как авто-катализаторы). Поэтому такие моменты должны, по крайней мере, считаться сомнительными в отношении их актуальности для разработки реальных гипотез происхождения жизни. Однако, с другой стороны, эти абстрактные модели (модели Sandars), предоставили нам некоторые выводы, с которыми мы поделимся в настоящем исследовании.

Например, как уже упоминалось, роль этих функциональных полимеров фактически аналогична изучению NSR, поэтому неудивительно, что когда рассматривается пространственное ограничение, как, в частности, отмеченное нами (РИС. 5 Шаг 4500 000), выявлен локализующий шаблон (т. е. пространственное ограничение может способствовать формированию хирального отклонения). По механизму функциональные полимеры (с гомохиальностью), либо абстрактные в их исследованиях, либо по нашим исследованиям NSR (нуклеотидный синтез рибозим), могут катализировать образование мономеров с такой же хиральностью как у самих, и пространственное ограничение мешает образованию мономеров быстро распространяться и, таким образом, способствует синтезу самих функциональных полимеров — и поэтому - продвижению дальнейшего хирального отклонения.

Примечательно, что классическая экспериментальная работа группы Eschenmoser показала, что тетрамеры пираносил-РНК (Pyranosyl-RNA) (РНК-подобный полимер), содержащий «полу самокомплементарную базовую последовательность» (‘hemi self-complementary base sequence’), может самостоятельно собраться хирально-селективным способом (путем «перекрестного шаблона» - cross-templating) и в конечном итоге привести к более высоким олигомерам с однородной хиральностью. Основное заключается в том, что оригинальные тетрамеры на самом деле существует как смесь всех видов диастереомеров (то есть, большинство тетрамеров являются D-L Chimeras) (chimera - организм, состоящий из наследственно различных клеток или тканей). Результаты привели авторов к предположению, что по механизму, возникшему таким образом, может иметь место биомолекулярная гомохиральность, - он был выведен в принципе, что при соолигомеризации превышается критический уровень, симметрия хиральности может нарушиться. Это исследование интересно. По крайней мере, как уже упоминалось авторами [Bolli M, Micura R, Eschenmoser A., 1997], он обеспечивает механизм формирования гомохиральности, инициированного шаблоном (с учетом настоящего моделирования, альтернативе поверхностно-опосредованному синтезу), который позволяет реализоваться «операции» шаблон-направленного синтеза, вызывая хиральное отклонение. Главным сомнением является то, что субстраты (подложки) имеют фиксированную длину (тетрамеры) и последовательность, (hemi self-complementary), что достаточно нереально. Хотя авторы в какой-то степени защищали эти требования, это - не убедительно, что сценарий в реальности может развиваться так, как они ожидали.

То есть важный вопрос состоит в том, что такая хиральность - селективное самоустранение олигомеров, может произойти, когда выполняется требование их фиксированной длины и определенной последовательности. Соответствующие исследования моделирования были бы интересны и могут развиваться дальше через экспериментальную работу.

Происхождение жизни - это процедура, объединяющая химию и эволюцию (Ma WT. The origin of life: a problem of history, chemistry, and evolution. Chem Biodiver. 2014; 11:1998–2010). Здесь эволюция в общем смысле, концептуально состоит из так называемой «химической эволюции» и начальных этапов дарвиновской эволюции. Теперь компьютерное моделирование становится важным

подходом в области изучения происхождения жизни - сама причина в том, что такой подход имеет отношение к процедуре эволюционного аспекта проблемы. Возникают сомнения относительно ожидания группы EschenMoser в отношении результата, когда их требования зависимости от длины и определенной последовательности просто включают в себя определенную сложность эволюционного процесса. Как предложено в сценарии настоящего исследования, возникновение гомохиральности на уровне полимера еще более типичный случай, демонстрирующий значение эволюции. Действительно, 35 лет назад, химики в этой области уже пытались оценить этот сценарий в лаборатории, но «перекрестное ингибирование» в матричном синтезе РНК озадачило их и ограничило их воображение.

В настоящем изучении моделирования мы показываем, что, учитывая процесс эволюции, «перекрестное торможение» не должно заблокировать путь, на котором может появиться гомохиральность на уровне полимера; и это может даже считаться положительным фактором - потому что иначе, в противном случае через chirality-chimera (хиральные химеры) могут возникнуть полимеры и хиральный отбор, driven power (приводимая мощность) для хиральности, будет в значительной степени подорвана. Могут быть продуманы будущие экспериментальные исследования на основании рассмотренных здесь результатов, например, вполне возможно разработать некоторые имитационные

процессы, позволяющие наблюдать эволюцию в течение некоторого периода времени - несколько похоже (но, возможно, гораздо более сложно), чем показано в знаменитом эксперименте Miller-Urey. Если так, то это будет яркой демонстрацией того, как экспериментальная работа может помочь компьютерному моделированию обратиться к проблеме с сочетанием химии и эволюции - возможно, как обычный путь будущих исследований в области происхождения жизни.


Источник: doi.org

Комментарии: