Untuk melarikan diri dari parasit, sistem hidup pertama perlu dibahagikan kepada titik kecil dari semasa ke semasa • Alexander Markov • Berita sains mengenai "Unsur" • Biologi molekul, Evolusi

Untuk melarikan diri dari parasit, sistem hidup pertama diperlukan dari semasa ke semasa untuk dibahagikan kepada titisan kecil.

Rajah. 1. Molekul RNA, yang memainkan peranan sebagai replikator dalam eksperimen, terdiri daripada genom virus Qβ (MDV (-) RNA) dengan ribozim yang terbenam di dalamnyatrans VS ribozyme). Ribozyme memotong molekul RNA yang lain, Substrate, menghasilkan dua molekul yang lebih pendek (Produk), salah satunya bermula dengan fluoresce (bulatan oren). Di sebelah kanan Skim pembiakan molekul peniru oleh enzim Qβ-replika (enzim tidak dapat membiak substrat) dalam setitik air terapung dalam minyak lengai kimia ditunjukkan. Gambar dari artikel dibincangkan diSains

Tahap utama dalam kelahiran hidup adalah kemunculan replikator kimia – kompleks molekul yang mampu menyalin diri dan evolusi Darwin. Penyusun pertama harus segera menghadapi masalah parasit replika – "penunggang percuma", menggunakan sumber komuniti untuk pengeluaran semula mereka dan memberi apa-apa balasan. Pemisahan boleh menyelamatkan nyawa yang bermula dari dominasi parasit – pembiakan di dalam sel terpencil kecil, seperti mikro bahan galian atau "protocell" yang dikelilingi oleh membran lipid. Eksperimen pada replikator buatan telah ditunjukkanbahawa, untuk melindungi terhadap parasit, replikator tidak perlu sentiasa berada di dalam petak-petak: ada pemisahan yang berpanjangan secara berkala dari larutan ke titisan kecil, yang kemudian dapat bergabung lagi. Rejim evolusi sedemikian tidak membenarkan parasit yang agresif untuk menyebarkan, tetapi mengekalkan sebahagian parasit parasit tertentu, yang tidak mendatangkan banyak bahaya kepada masyarakat dan boleh menjadi bahan sumber untuk inovasi evolusi yang berguna.

Eksperimen evolusi pertama pada replikator tiruan – kompleks molekul yang melipatgandakan di luar sel hidup – dilakukan seawal lewat tahun 1960-an. Sistem ujian yang mudah untuk eksperimen tersebut adalah komponen bakteria Qβ: molekul RNA, iaitu genom virus, dan enzimnya, replikasi Qβ (lihat replika Qβ), yang menyebarkan RNA virus (DR Mills, RL Peterson, S. Spiegelman, 1967 Eksperimen Darwinian ekstraselular dengan molekul asid nukleik pendua sendiri).

Dalam sistem sedemikian, pemilihan menyokong molekul RNA dengan sebarang mutasi yang meningkatkan kadar replikasi. Akibatnya, genom virus asalnya cepat merosot, kehilangan lebih daripada 80% panjangnya dan akhirnya berubah menjadi "raksasa Spiegelman" – sebuah molekul RNA kecil yang tidak begitu serupa dengan genom virus asal, tetapi kemudian direproduksi oleh replika Qβ dengan kelajuan maksimum.Malah, hanya urutan isyarat nukleotida kekal diperlukan untuk pengiktirafan molekul oleh enzim replikasi dan untuk memulakan proses replikasi.

Percubaan-percubaan sedemikian jelas menonjolkan masalah serius yang dihadapi oleh kehidupan yang baru muncul. Sebaik sahaja terdapat komuniti molekul (contohnya, ribozim) yang mampu menghasilkan salinan mereka sendiri, parasit mesti segera dimulakan di dalamnya – molekul mutan yang dapat membiak dengan cepat pada perbelanjaan seseorang, tanpa memberi manfaat kepada masyarakat. Sekiranya kehidupan yang muncul gagal mempertahankan dirinya daripada penunggang percuma itu, pembiakan mereka yang tidak terkawal pasti dan dengan cepat memusnahkannya.

Pemisahan ini membantu melepaskan diri daripada parasit, iaitu, pengasingan bahagian-bahagian kecil molekul-molekul semula dalam sel terpencil (petak). Dalam kes ini, pemilihan kumpulan akan berfungsi di peringkat sel, yang akan memberikan kelebihan kepada populasi sel-sel di mana terdapat beberapa parasit. Pemilihan kumpulan akan mengatasi pemilihan individu pada tahap molekul individu, yang memberikan keutamaan kepada parasit.

"Protocell" (lihat Protocell), yang dikelilingi oleh membran primitif dari asid lemak sintetik, alkohol dan lipid abiogenik (lihat pautan pada akhir berita), boleh berfungsi sebagai petak awal. Walau bagaimanapun, untuk mengawal pertumbuhan dan pembiakan protokol secara berkesan, replikasi kimia yang duduk di dalamnya, nampaknya sudah agak rumit, sementara masalah penunggang percuma meningkat hingga ketinggian penuh sebelum penyusun semula yang paling awal. Oleh itu, adalah penting untuk memahami sama ada apa-apa pilihan pemisah yang lebih mudah (termasuk pemisah sementara dengan penggabungan secara berkala kandungan kompartmen kembali ke "periuk biasa") boleh melindungi kehidupan yang baru lahir daripada parasit.

Bukti eksperimental telah diperolehi bahawa kompartisasi dapat melindungi peniru primitif dari dominasi penunggang bebas (N. Ichihashi et al., 2013. Evolusi Darwinian sistem terjemahan-gabungan; Y. Bansho et al., 2016. Sistem replikasi RNA-parasit rama-rama). Dalam eksperimen seperti itu, peranan petak biasanya dimainkan oleh titisan air dengan bahan-bahan terlarut (contohnya, molekul Qβ-replika dan RNA yang sama) yang terapung dalam minyak lengai kimia.

Ahli biologi dan ahli kimia dari Perancis, Hungary, Jerman dan Jepun mengambil langkah seterusnya ke arah ini, menunjukkan bahawa walaupun pemisah sementara, berselang-seli dengan tempoh gabungan petak, dapat menyelamatkan replikator mudah dari kepupusan yang disebabkan oleh penghasilan parasit yang tidak terkawal. Penggandaan periodik seperti itu boleh berlaku, contohnya, semasa pembentukan aerosol atau dalam mikro bahan galian berhampiran sumber haba.

Dalam eksperimen, peranan replikator dimainkan oleh genome Qβ phage, di mana suatu serpihan RNA dengan aktiviti enzimatik (ribozyme) dimasukkan, dipinjam dari genom mitokondria kulat Neurospora (lihat: H. C. Guo, R. A. Collins, 1995. Penguraian transparan gelung batang yang diperoleh daripada neurospora VS RNA). Ribozim ini boleh memotong molekul RNA lain di tempat tertentu. Dalam eksperimen, molekul RNA dengan label neon neon yang dilampirkan digunakan sebagai substrat (iaitu molekul yang akan dipotong), direka supaya pendarfluor akan bermula hanya selepas substrat dipotong oleh ribozyme (Rajah 1). Pendaraban replikasi (genom phage Qβ dengan ribozyme bersepadu) telah direproduksi menggunakan replika Qβ. Molekul substrat tidak menyebarkan enzim ini.Proses replikasi telah diawasi dengan menggunakan pewarna neon hijau untuk RNA (lebih banyak molekul RNA dalam sampel, semakin terang pendarfluor hijau). Dalam proses replikasi, seperti yang dijangka, mutasi rawak berlaku, termasuk penghapusan, serpihan RNA, dengan frekuensi tertentu.

Penulis membandingkan tiga rejim evolusi.

Dalam kes pertama, replikator berkembang hanya dalam penyelesaian, tanpa pengasingan. Proses berlangsung selama tiga jam, maka RNA terpencil dari penyelesaian, reagen segar ditambah dan kitaran baru dimulakan.

Dalam kes kedua, larutan itu tertakluk kepada pengasingan – pemisahan kira-kira satu juta titisan dengan diameter 28 μm. Selepas tiga jam, semua titisan digabungkan, RNA terpencil dari mereka dan diluluskan ke kitaran seterusnya.

Dalam kes ketiga, segala-galanya dilakukan dengan cara yang sama seperti yang kedua, dengan satu-satunya perbezaan: selepas tiga jam replikasi, tidak semua titisan digabungkan, tetapi hanya orang-orang di mana pendarfluor oren yang kuat diperhatikan. Dalam erti kata lain, titisan itu dipilih di mana replikator tidak kehilangan fungsi enzimatiknya – keupayaan untuk memotong "substrat". Untuk pemilihan titisan neon, varian spesifik kaedah yang dibangunkan sebelum ini untuk mengasingkan sel-sel neon telah digunakan (lihat: Pemilahan sel diaktifkan fluorenen (FACS); J.-C. Baret et al., 2009.Penyusunan titisan fluoresen yang diaktifkan (FADS): penyusun sel mikrofluidik yang berkesan berdasarkan aktiviti enzimatik).

Dalam senario evolusi pertama (tanpa pemisahan dan tanpa pemilihan buatan), pengganding fungsi-ribozim sepenuhnya mati oleh kitaran keempat. Penduduknya ditimpa oleh parasit: molekul RNA mutan yang pendek dengan laju replikasi yang meningkat secara dramatik, tanpa aktiviti pemangkin (tidak dapat memotong substrat). Pada masa yang sama kepelbagaian parasit yang dihasilkan adalah kecil. Ini diharapkan, kerana dalam senario ini, pemilihan itu hanya untuk kelajuan replikasi, tanpa mengira bagaimana ini mempengaruhi fungsi molekul.

Dalam senario kedua (dengan pemisah, tetapi tanpa pemilihan buatan), keputusan akhir adalah sama: replikator berfungsi-ribozim telah sepenuhnya digantikan oleh parasit. Benar, ia memerlukan lebih banyak masa: tidak tiga atau empat kitaran, tetapi enam atau tujuh. Ternyata penangguhan itu dijelaskan oleh fakta bahawa penggabungan secara berkala memperlahankan penyebaran mutan dengan kadar replikasi yang tinggi: mereka tidak dapat menyeberang melampaui batas-batas penurunan di mana mereka muncul sehingga kombinasi jatuh berikutnya.

Dalam senario ketiga, pengganding fungsi-ribozim tidak digantikan oleh parasit walaupun selepas sembilan kitaran (dalam percubaan ini eksperimen ditamatkan). Oleh itu, idea bahawa pengekalan periodik membantu replikator primitif untuk mempertahankan terhadap parasit telah disahkan eksperimen. Benar, sebilangan penyusun parasit – molekul RNA yang dipendekkan dengan peningkatan laju replikasi yang tidak mempunyai aktiviti pemangkin – masih terdapat dalam kes ini. Walau bagaimanapun, parasit ini, pertama, kurang agresif: mereka hanya sedikit (1.1-1.2 kali) dalam kadar pembiakan melampaui replikator ribozyme berfungsi, sedangkan dalam dua kes pertama parasit yang berjaya didarab 1.4 -1.6 kali lebih cepat daripada molekul asal. Kedua, kepelbagaian genetik parasit ini "sederhana" adalah lebih tinggi daripada dua kes pertama.

Kedua-dua ciri-ciri parasit replikasi yang telah tersebar di bawah pengasingan periodik dan pemilihan – kesederhanaan dan peningkatan kepelbagaian – nampaknya disebabkan oleh pemilihan titisan di mana aktiviti pemangkin telah dipelihara dengan berkesan menangkis pemilihan individu pada tahap molekul individu.Pemilihan kumpulan membuat pemeliharaan aktiviti pemangkinan penurunan secara keseluruhannya penting bagi parasit itu sendiri. Di bawah keadaan ini, parasit yang agresif, sangat dioptimumkan untuk kelajuan pembiakan (dan oleh itu lebih kurang sama), kejatuhan kejatuhan yang mereka telah dibesarkan, sehingga mati, tetapi pada masa yang sama mereka sendiri mati (ditolak) bersama dengannya. Oleh itu, parasit yang agresif dalam keadaan ini tidak dapat menyebar. Bagi parasit sederhana, hanya sedikit melebihi molekul awal dalam kadar pembiakan, mereka tidak mendatangkan kemudaratan yang ketara kepada penurunan itu secara keseluruhannya dan oleh itu kekal. Mereka lebih pelbagai daripada parasit yang agresif, kerana terdapat lebih banyak cara untuk meningkatkan kelajuan replikasi sedikit, daripada cara untuk meningkatkannya ke had. Dalam perjalanan evolusi selanjutnya, para pelaut yang hampir tidak berbahaya itu dapat menjadi sumber inovasi genetik berharga bagi sistem hidup yang sedang berkembang. Sesungguhnya, dalam mana-mana daripada mereka, mutasi mungkin berlaku yang akan menjadikan parasit sederhana menjadi komponen berguna masyarakat.

Eksperimen tambahan telah menunjukkan bahawa dalam senario "pemisahan dan pemilihan", perjalanan evolusi bergantung kepada bilangan purata molekul RNA yang jatuh ke dalam setiap titisan.Semakin kecilnya, semakin berkesan penolakan parasit dan menurunkan bahagian keseimbangan molekul RNA parasit dalam jumlah penduduk replikator.

Hasil kajian ini mempunyai sesuatu yang sama dengan eksperimen evolusi yang lain, di mana ia menunjukkan bahawa "percikan" berkala dari budaya campuran bakteria-egois dan bakteria-kooperator memungkinkan untuk menghalang pertumbuhan bilangan egois global, walaupun pada hakikatnya setiap individu menyemprotkan bahagian egois selalu tumbuh ( lihat: Altruists berkembang kerana paradoks statistik, Unsur, 16 Januari 2009).

Penyelidikan telah menunjukkan bahawa menamatkan pembiakan parasit replikasi yang berleluasa dalam sistem kehidupan primitif adalah lebih mudah daripada yang difikirkan sebelum ini. Ini tidak memerlukan struktur yang kompleks seperti protokol dengan membran lipid. Menyembur secara berkala daripada penyelesaian replikator (dengan limpahan titisan airnya kembali ke dalam takungan), yang boleh berlaku dalam takungan geoterma aktif Bumi muda, cukup mencukupi.

Sumber: Shigeyoshi Matsumura, Ádám Kun, Michael Ryckelynck, Faith Coldren, András Szilágyi, Fabrice Jossinet, Christian Rick, Philippe Nghe, Eörs Szathmáry, Andrew D. Griffiths. Pemisah peralihan transistor RNA menghalang kepupusan disebabkan oleh parasit // Sains. 2016. V. 354. P. 1293-1296. DOI: 10.1126 / science.aag1582.

Lihatjuga tentang eksperimen dengan protokol dan peniru mudah:
1) Evolusi di bawah kawalan komputer, "Unsur", 12.04.2008.
2) Protocell tiruan mensintesis DNA tanpa bantuan enzim, "Unsur", 09.06.2008.
3) Misteri asal hidup akan segera dibongkar ?, "Elemen", 12.01.2009.
4) Ribozymes boleh menyebarkan satu sama lain, "Unsur", 04/13/2011.
5) Sintesis RNA dalam "protocell" masih mungkin, "Unsur", 02.12.2013.
6) Mencipta ribozim, menyalin salinan cermin diri mereka, "Unsur", 11/03/2014.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: