關(guān)鍵詞：復(fù)雜生化系統(tǒng)，生命起源，分子拼裝假說，分子進(jìn)化，蛋白質(zhì)翻譯

論文題目：Intellectual frameworks to understand complex biochemical systems at the origin of life 論文地址：https://www.nature.com/articles/s41557-024-01698-4 期刊名稱：Nature Chemistry

生命的起源涉及從簡單分子到復(fù)雜系統(tǒng)的演化過程，例如蛋白質(zhì)翻譯。蛋白質(zhì)翻譯是現(xiàn)代生命體中高度復(fù)雜且不可或缺的系統(tǒng)，其復(fù)雜性令人難以想象如何從簡單的分子基礎(chǔ)演化而來。傳統(tǒng)的“RNA世界理論”提出，RNA既是遺傳信息的載體，也是催化反應(yīng)的酶，從而解決了DNA和蛋白質(zhì)“先有雞還是先有蛋”的悖論。然而，該理論在解釋復(fù)雜系統(tǒng)的進(jìn)一步進(jìn)化方面存在局限性。近期發(fā)表在Nature Chemistry的觀點(diǎn)文章提出“分子拼裝假說” （molecular bricolage） ，認(rèn)為復(fù)雜系統(tǒng)的部件最初進(jìn)化為與現(xiàn)代功能無關(guān)的其他用途，這些部件通過偶然的關(guān)聯(lián)逐漸形成新的功能，最終演化為高度復(fù)雜的系統(tǒng)。

首先，研究者提出分子拼裝的兩階段模型，將復(fù)雜系統(tǒng)的進(jìn)化分為初始和組合階段。在初始階段階段，各部件為了特定的早期功能而進(jìn)化，如RNA、蛋白質(zhì)或簡單的分子，但這些功能與系統(tǒng)的最終功能無關(guān)。例如，早期tRNA可能僅作為催化的輔助因子，而非信息適配器。在組合階段階段，這些部件偶然形成粗糙的集合體，展現(xiàn)出新的功能，這種新功能為生物體提供適應(yīng)性優(yōu)勢，從而受到自然選擇的強(qiáng)化。

文章列舉了支持分子拼裝的多個(gè)實(shí)驗(yàn)與化學(xué)機(jī)制，為分子拼裝模型提供支持。非酶促RNA復(fù)制：氨酰化RNA可能促進(jìn)RNA的快速復(fù)制，盡管這一功能最初與蛋白質(zhì)翻譯無關(guān)；肽和RNA的相互作用：簡單的原肽可以增加RNA的穩(wěn)定性或作為催化因子輔助反應(yīng)；原始核糖體的功能：核糖體可能最初并非用于蛋白質(zhì)合成，而是作為RNA復(fù)制酶發(fā)揮作用，隨后逐漸被用于蛋白質(zhì)翻譯。文章進(jìn)一步討論了分子拼裝假說在其他生命起源問題中的應(yīng)用，例如，實(shí)驗(yàn)和計(jì)算分析顯示，代謝網(wǎng)絡(luò)可能通過重新利用 （co-option） 現(xiàn)有路徑而擴(kuò)展；脂質(zhì)與RNA的相互作用可以增強(qiáng)分子功能，為原始細(xì)胞的形成提供支持。

分子拼裝假說的提出為復(fù)雜系統(tǒng)的起源提供了全新的視角。通過將復(fù)雜系統(tǒng)分解為易于研究的子模塊，該理論為設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)提供了明確方向。研究者指出，現(xiàn)有研究大多集中于“如何實(shí)現(xiàn)”，例如合成核酸或氨基酸的方法，而“為什么進(jìn)化”的問題同樣值得深入探討。未來，這一框架有望推動(dòng)化學(xué)家和生物學(xué)家在生命起源領(lǐng)域的進(jìn)一步合作，為解答生命起源的深層次問題提供思路。

圖 1. 現(xiàn)代的蛋白質(zhì)翻譯在所有已知的生命形式中都被保留下來，并且需要由許多相互作用的部分組成的復(fù)雜分子機(jī)器來實(shí)現(xiàn)。

圖 2. 蛋白質(zhì)翻譯中生化元素起源的假設(shè)路徑。

圖 3. 單一選擇壓力與分子拼裝的示意圖。

圖 4. 編碼蛋白質(zhì)合成所需的元素，被假設(shè)最初為不相關(guān)的功能而進(jìn)化。

自生成結(jié)構(gòu)讀書會(huì)

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