2019-09-10 19:11:02
科学家发现生物学的最佳分子字母表可能是预先确定的

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在东京工业大学地球生命科学研究所(ELSI)工作的一个国际和跨学科团队模拟了生物学最基本的构建模块之一的演变,并发现它可能具有特殊属性,有助于自我引导现代形式。

地球上的所有生命都使用几乎通用的20种编码氨基酸(CAA)来构建蛋白质。这一集很可能在早期进化过程中“规范化”或标准化;在此之前,随着生物体开发出新的合成校对和编码能力,较小的氨基酸组逐渐扩大。由Melissa Ilardo领导的新研究,现在在犹他大学,研究了这一组演变可能是如何发生的。

在地球或宇宙的其他地方可以找到数百万种可能的氨基酸类型,每种氨基酸都有其独特的化学性质。事实上,科学家们已经发现这些独特的化学特性赋予了生物蛋白质,这些大分子在生命的催化作用下,具有自身独特的能力。该团队之前已经测量了CAA集与随机氨基酸集的比较,发现只有大约1亿个随机集具有与CAA一样异常分布的化学特性。

因此,该团队开始询问早期的较小编码集在化学性质方面可能是什么样的问题。现代CAA或其他目前未编码的氨基酸有许多可能的子集可能包含早期的组。该团队使用他们计算的1913个结构多样的“虚拟”氨基酸的特殊库计算了制备一组3-20个氨基酸的可能方法,并发现有1048种方法可以制备20个氨基酸组。相比之下,地球上只有大约1019粒沙子,整个宇宙中只有大约1024颗星。 ELSI的团队成员Jim Cleaves说:“有很多可能的氨基酸,以及很多方法可以组合它们,计算方法是解决这个问题的唯一综合方法。” “基于适当数学模型的算法的高效实施使我们能够处理甚至是天文学上巨大的组合空间,”德国航空航天中心的共同作者Markus Meringer补充道。

由于这个数字太大,以至于他们使用统计学方法来比较现代CAA组合的物理化学性质与数十亿随机3到20个氨基酸组合的适应值。他们发现CAA可能在进化过程中被选择性保守,因为它们具有独特的适应性化学特性,这有助于它们制造最佳蛋白质,从而帮助生产这些蛋白质的生物体变得更加健康。

他们发现即使只包含一个或几个现代CAA的假设集合也是特别适应的。即使在具有现代CAA集独特化学性质的众多替代品中也很难找到套装。这些结果表明,每次在发现过程中发现现代CAA并将其嵌入生物学工具箱中时,它在大量替代方案中提供了不寻常的适应性价值,并且每个选择性步骤可能有助于引导开发组以包括更多CAA,最终通向现代的一套。

如果这是真的,研究人员推测,这可能意味着即使给出了开发编码氨基酸组的各种起点,生物学也可能最终聚集在一个类似的集合上。由于该模型基于氨基酸本身的不变物理和化学特性,这可能意味着即使是地球以外的生命也可能与现代地球生命非常相似。共同作者,德累斯顿马克斯普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所的Rudrarup Bose进一步假设,他说:“生命可能不仅仅是一系列偶然事件。相反,可能存在一些关于生命进化的普遍规律“。

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