慕尼黑的路德维希·马克西米利安斯大学(LMU)研究表明,转移RNA分子(tRNA)的微小变化使它们能够自我组装成可以按指数方式复制信息的功能单元。tRNA是早期生命形式进化的关键要素。
我们所知道的生命是建立在复杂的相互作用网络基础上的,该相互作用网络发生在生物细胞的微观尺度上,涉及数千种不同的分子种类中国化工网okmart.com。在我们体内,每天重复无数次基本过程。在称为复制的操作中,蛋白质复制了存储在细胞核中的DNA分子中编码的遗传信息-在细胞分裂过程中将它们平均分配给两个子细胞。
然后将信息有选择地复制(“转录”)到所谓的信使RNA分子(mRNA)中,该分子指导有关细胞类型所需的许多不同蛋白质的合成。RNA的第二种类型-转移RNA(tRNA)-在mRNA的“翻译”成蛋白质方面起着核心作用。
当生命系统最初在地球早期进化时,如何在DNA复制和mRNA转化为蛋白质之间产生如此复杂的相互作用?我们这里有一个鸡与蛋问题的经典例子:蛋白质是遗传信息转录所必需的,但蛋白质的合成本身取决于转录。
Dieter Braun教授领导的LMU物理学家现在证明了如何解决这个难题。他们已经表明,现代tRNA分子结构的微小修饰使它们能够自主相互作用,从而形成一种复制模块,该模块能够按指数方式复制信息。
这一发现表明,tRNAs(现代细胞中转录和翻译之间的关键中介)也可能是最早的活体系统中复制和翻译之间的重要纽带。因此,它可以提供一个巧妙的解决方案来解决哪个先出现的问题-遗传信息或蛋白质?
令人惊讶的是,就其序列和整体结构而言,tRNA在生命的所有三个域中都是高度保守的,即单细胞古细菌和细菌(缺乏细胞核)和真核生物(其细胞含有真实核的生物)。这个事实本身表明,tRNA是生物圈中最古老的分子之一。
就像生命进化的后期步骤一样,复制和翻译的进化以及它们之间的复杂关系并不是突然的一步的结果。最好将其理解为进化历程的顶点。Dieter Braun说:“诸如自我复制,自催化,自我组织和分隔等基本现象可能在这些发展中发挥了重要作用。” “并且更一般地讲,这种物理和化学过程完全取决于提供非平衡条件的环境的可用性。”
在他们的实验中,Braun和他的同事使用了一组以现代tRNA的特征形式为模型的相互互补的DNA链。每个都由两个“发夹”组成(之所以称为“发夹”,是因为每条链可以与自身部分配对并形成拉长的环结构),中间由一个信息序列隔开。
八个这样的链可以通过互补碱基配对相互作用形成复合物。根据中央信息区域指示的配对模式,此组合系统能够编码4位二进制代码。
每个实验都从模板开始-信息结构由定义二进制序列的两种类型的中央信息序列组成。该序列决定了互补分子的形式,它可以在可用链库中与之相互作用。研究人员继续证明,通过应用冷热之间的温度波动重复序列,模板化的二进制结构可以重复复制(即放大)。“
因此,可以想象这样的复制机制可能发生在地球早期的热液微系统上,” Braun说。特别是,困在海底多孔岩石中的水溶液将为此类反应循环提供有利的环境,因为对流产生的自然温度振荡
在复制过程中,互补链(从分子库中提取)与模板链的信息链段配对。随着时间的流逝,这些链的相邻发夹也会配对以形成稳定的骨架,并且温度振荡会继续驱动扩增过程。如果温度在短时间内升高,模板链将从新形成的复制物中分离出来,然后两者都可以在下一轮复制中充当模板链。
该团队能够证明该系统具有指数复制能力。这是一个重要发现,因为它表明由于错误的累积,复制机制特别耐崩溃。复制子复合物本身的结构类似于现代tRNA的事实表明,在tRNA分子在将信使RNA序列翻译成蛋白质之前发挥其现代作用之前,tRNA的早期形式可能已经参与了分子复制过程。
亚历山德拉·库恩莱恩(AlexandraKühnlein)表示:“在早期的进化场景中,复制与翻译之间的这种联系可以为解决鸡与蛋的问题提供解决方案。” 它也可以解释原始tRNA的特征形式,并阐明在选择tRNA用于翻译之前的作用。
在化学聚合物水平上关于生命起源和达尔文进化的出现的实验室研究也对生物技术的未来产生了影响。“我们对分子复制的早期形式的研究以及对复制与翻译之间联系的发现使我们离重建生命起源更近了一步,” Braun总结道。