단백질은 일반적으로 지구의 삶이 시작된 방법에 대한 과학자들의 추측에서 RNA 분자에 뒷좌석을 가져 갔다. 그러나 초기 바이오 폴리머가 어떻게 유용한 형태로 접을 수있을 정도로 오래 걸렸을 수 있는지 설명하는 새로운 계산 모델이 그것을 변화시킬 수 있습니다. 그것이 유지되면, 현재 실험실 실험을 안내하는 모델은 단백질의 평판을 원래 자체 복제 생체 분자로 재건 할 수 있습니다.
.생명의 기원을 연구하는 과학자들에게 가장 큰 닭고기 문제 중 하나는 다음과 같습니다. 첫 번째-단백질이나 DNA 및 RNA와 같은 핵산은 무엇입니까? 40 억 년 전, 기본 화학적 빌딩 블록은 자체 복제 능력을 갖고 생명에 필수적인 기능을 수행 할 수있는 더 긴 폴리머를 일으켰습니다. 즉, 정보를 저장하고 화학 반응을 촉진했습니다. 대부분의 삶의 역사에서 핵산은 이전 직업과 단백질을 후자의 단백질을 처리했습니다. 그러나 DNA와 RNA는 단백질을 만드는 지시를 전달하고 단백질을 추출하여 그 지시를 DNA 또는 RNA로 복사합니다. 어느 것이 원래 두 직업을 스스로 처리했을 수 있었습니까?
수십 년 동안, 선호하는 후보는 RNA였습니다. 특히 1980 년대에 RNA가 단백질과 마찬가지로 RNA가 접고 반응을 촉진 할 수 있다는 발견 이후. 나중에 이론적이고 실험적인 증거는 더 많은 RNA의 형성을 촉진 할 수있는 RNA에서 생명이 나왔다는“RNA 세계”가설을 더욱 강화시켰다.
그러나 RNA는 또한 엄청나게 복잡하고 민감하며, 일부 전문가들은 프리 바이오 틱 세계의 가혹한 조건에서 자발적으로 발생할 수 있다는 회의적입니다. 더욱이, RNA 분자와 단백질 모두 촉매 작업을 수행하기 위해 길고 접힌 체인의 형태를 취해야하며, 초기 환경은 핵산이나 아미노산의 현이 길어지는 것을 막는 것처럼 보인다.
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캘리포니아 주 로렌스 버클리 국립 연구소의 로널드 주커 만 (Ronald Zuckermann)과 함께 뉴욕의 스토니 브룩 대학교 (Stony Brook University)의 켄 딜과 엘리자베타 구스 바 (Ken Dill and Elizaveta Guseva)는 국립 과학 아카데미 의 절차에서 수수께끼에 대한 가능한 해결책을 제시했다. ( pnas ) 이번 여름. 모델이 진행됨에 따라 그들의 것은 매우 간단합니다. Dill은 1985 년에 단백질에서 아미노산의 서열이 접힌 구조를 지시하는 방법에 관한“단백질 폴드 문제”를 해결하기 위해 1985 년에 개발했습니다. 그의 소수성-폴라 (HP) 단백질-폴드 모델은 20 개의 아미노산을 단지 두 가지 유형의 서브 유닛으로 취급하며, 이는 목걸이의 다른 색의 구슬에 비유했다 :파란색, 물을 좋아하는 구슬 (극 단량체) 및 빨간색, 물을 싫어하는 물 (비극성 단량체). 이 모델은 2 차원 격자의 정점을 따라 순차적 순서 로이 비드의 체인을 접을 수 있습니다. 주어진 구슬이 점유되는 정사각형은 물을 피할 수 있도록 빨간색의 소수성 구슬이 서로 뭉개지는 경향에 달려 있습니다.
생물 물리학자인 Dill은 1990 년대 내내 이러한 종류의 계산을 사용하여 에너지 환경과 단백질 서열의 접힘 상태에 대한 질문에 대답했습니다. 최근에야 그는 모델을 초기 지구에 적용하고 프리 바이오 틱 화학에서 생물학으로의 전환을 생각했다. Dill은“화학은 자립적이지 않으며 생물학은”라고 말했다. “이 자기 서빙의 첫 번째 씨앗은 무엇 이었습니까?”
그는 대답은 접을 수있는 폴리머 또는 폴드 아머에 있다고 생각합니다. 그의 모델을 통해 그는 소수성 및 극 단량체의 순열 세트를 생성했습니다. 이 서열의 2.3 %만이 소형 폴드 아메리카 구조로 붕괴됩니다. 그리고 원래 세트의 0.3 %에 불과한 사람들의 12.7 %만이 표면에 소수성 붉은 구슬을 노출시키는 형태로 접 힙니다.
이 패치는 떠 다니는 서열의 소수성 섹션을위한 매력적이고 끈적 끈적한 착륙 패드 역할을 할 수 있습니다. 단일 빨간색 구슬과 빨간 꼬리 체인이 소수성 패치에 동시에 착륙하면 열역학은 두 시퀀스가 서로 연결되는 것을 선호합니다. 다시 말해, 패치는 폴리머를 길게하는 촉매로서 작용하여 이들 반응 속도를 10 배나 높게한다. 이 비율 향상은 작지만 딜은 중요하다고 말했다.
자가 촉매 종이 접기
길쭉한 폴리머의 대부분은 단지 계속 진행됩니다. 그러나 일부는 접 히고 일부는 원래 촉매와 마찬가지로 자체의 소수성 패치를 가지고 있습니다. 이런 일이 발생하면 착륙 패드가있는 접힌 분자는 더 큰 숫자로 긴 폴리머를 계속 형성 할뿐만 아니라, 폴드 아머가 자신의 사본의 형성을 직접 또는 간접적으로 촉매하는자가 촉매 세트를 구성 할 수 있습니다. 때때로 두 개 이상의 폴드 아머는 서로 형성하는 반응을 향상시켜 상호 촉매에 관여 할 수 있습니다. 이러한 세트는 드물지만,이 분자의 수는 기하 급수적으로 자라서 결국 프리 바이오 틱 수프를 인수 할 것입니다. 딜은“이것은 경기를 조명하고 산불을 세우는 것과 같습니다.
"이것이 마법의 전체입니다."라고 그는 덧붙였습니다.“작은 이벤트가 훨씬 더 큰 이벤트에 자신을 활용할 수있는 능력”
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그리고이 과정을 불러 일으키는 데 필요한 것은 그의 모델이 예측할 수있는 특정 소수성 및 극성 성분의 특정 시퀀스입니다. 비엔나 대학교 (University of Vienna)의 이론적 화학자이자 명예 교수 인 피터 슈스터 (Peter Schuster)는“딜의 모델은이 두 가지 속성 만 필요하다는 것을 보여줍니다. "이것은 아름다운 이론적 결과입니다."
NASA의 계산 천문 생물학 및 기본 생물학 센터의 앤드류 포 호릴 (Andrew Pohorille)은“이것은 RNA 세계 가설에 기초한 삶의 기원에 대한 비전을 의심하고있다. 그와 다른 과학자들에게 단백질은 핵산보다 쉽게 만들기가 더 쉽기 때문에“더 자연스러운 출발점”처럼 보입니다. Pohorille은 최초의 삶의 기초에서 발견 된 정보 저장 시스템이 현대 세포에서 핵산 기반 시스템보다 덜 발전했을 것이라고 주장합니다.
."사람들은 단백질을 복제하는 방법을 모르기 때문에 단백질 우선 가설을 좋아하지 않았다"고 덧붙였다. "이것은 RNA를 복제 할 수있는 것과 같은 방식으로 단백질을 실제로 복제 할 수는 없지만, 그런 종류의 정확한 정보 저장 없이도 여전히 세상을 구축하고 진화시킬 수 있음을 보여 주려고합니다."
.이 비옥 한 정보가 풍부한 환경은 RNA의 출현을 더 환영 해졌을 것입니다. RNA는자가 촉매에서 더 좋았 기 때문에 장기적으로 자연 선택으로 선호되었을 것입니다. 이스라엘의 Weizmann Science Institute of Science에서 자신의 간단한 화학 기반 모델을 연구 한 Genomics 연구원 인 Doron Lancet은“Dill 's와 같은 단순한 모델로 시작하면 RNA와 같은 것이 나중에 나타날 수 있으며 이스라엘 Weizmann Science Institute of Science에서 자신의 간단한 화학 기반 모델에서 일한 Genomics 연구원 인 Doron Lancet은 말했습니다.
펩 토이드에 대한 증거 추구
물론,이 모든 것의 열쇠는 실제 실험에 있습니다. 독일의 Westfälische Wilhelms University의 분자 진화 교수 인 Erich Bornberg-Bauer는“2.5 ~ 30 억 년이 넘는 모든 것은 추측입니다. 그는 Dill의 작품을“실제로 개념 증명”이라고 묘사했습니다. 이 모델은 여전히 RNA 세계 가설에 대해 좋은 싸움을하기 위해서는 실험실의 다른 이론적 모델과 실험적 연구에 대해 테스트해야합니다. 그렇지 않으면,“물리학 자에 대한 농담은 젖소들이 완벽하게 탄력있는 구형 대상이라고 말합니다. “모든 의미는 궁극적으로 경험적 접근에서 비롯됩니다.”
그렇기 때문에 pnas 의 Dill의 공동 저자 중 한 명인 Zuckermann 논문은 딜의 가설을 확인하기를 희망하는 프로젝트를 시작했습니다.
25 년 전, 딜이 HP 단백질-홀딩 모델을 제안했을 때, 주커만은 펩 토이드 (peptoids)라는 인공 폴리머를 만들기위한 합성 방법을 개발하고있었습니다. 그는 비 생물학적 분자를 사용하여 단백질 모방 물질을 생성했습니다. 이제 그는 펩 토이드를 사용하여 서열이 접힌 방법과 좋은 촉매를 만들 것인지를 조사하여 HP 모델의 예측을 테스트하고 있습니다. 이 실험 과정에서 Zuckermann은 그와 그의 동료들은 수천 개의 시퀀스를 테스트 할 것이라고 말했다.
지저분하고 어렵습니다. Dill의 HP 모델은 단순화되어 있으며 실제적인 분자 세부 사항과 실제 수명을 특징 짓는 화학적 상호 작용을 설명하지 않습니다. Zuckermann은“이것은 우리가 모델이 볼 수 없다는 원자 수준의 현실에 빠질 것임을 의미합니다.
그러한 현실 중 하나는 한 쌍의 폴드 라머가 서로의 생산을 촉매하는 대신 집계 할 수 있다는 것입니다. 딜의 가설의 회의론자들은 소수성 패치가 다른 중합체 사슬 대신 서로 상호 작용하는 것이 훨씬 쉬울 것이라고 걱정합니다. 그러나 Pohorille에 따르면, 응집 가능성은 자동 촉매를 시작하기 위해 소수성 패치가 필요하다는 점에 딜이 잘못되었음을 의미하지는 않는다. “현대 효소는 단지 매끄러운 공이 아닙니다. 효소에는 촉매 과정을 돕는 틈새가 포함되어 있습니다.”라고 그는 설명했다. 랜딩 패드를 통한 폴더머 사이에 집계가 있다면 결과 구조가 그러한 기능을 가질 수 있습니다.
Bornberg-Bauer는“가능성이 낮은 것처럼 보이지만 과학은 모든 가설을 고려해야합니다. "이것이 딜이하는 일입니다."
지금은 적어도 RNA 세계 가설이 최고입니다. 그럼에도 불구하고 Dill과 Zuckermann은 추가 연구가 무엇을 생산할 것인지에 대해 낙관적입니다. Dill 은이 모델을 사용하여 유전자 코드가 어떻게 그리고 왜 발생했는지를 포함하여 삶의 기원에 대한 다른 질문을 조사 할 계획입니다. 그리고 Zuckermann은 딜의 계산을 확인 (또는 반박)하는 것 외에도 약물 전달, 합성 항체 또는 진단 도구를위한 차량 역할을 할 수있는 폴드 더머를 만드는 데 도움이되기를 희망합니다.
.Zuckermann은“이 모델은 나와 같은 실험가들에게 출발점을 제공합니다. "이러한 원시 촉매를 찾고, 그들이 어떻게 작동하는지 보여주기 위해 다음과 같은 일이 일어 났을 수도 있습니다."
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