Гиперциклы и происхождение жизни

Автор Андрей Пустовалов, сентября 02, 2005, 15:16:43

« назад - далее »

Андрей Пустовалов

Одной из проблем абиогенеза является пробема самосборки.
Возможное частное решение данной проблемы дает концепция гиперциклов Эйгена. В его книге, посвященной этому явлению он много пишет о свойствах гиперциклов, однако для меня остался не совсем понятен вопрос о примерах. У К.Ю.Еськова приведен как пример гиперцикла РНК-содержащий вирус, размножающийся в клетке. А есть ли примеры гиперциклов из полностью неживой материи?
Еще одно. Из концепции Сорохтина и Ушакова следует, что в период возникновения жизни (от 4,0 до 3,8Млрд. лет) температура Земли изменилась от -5 до +5 (средние цифры, на экваторе было несколько теплее). А давление атмосферы возросло от 0,6 до 1,5 примерно атмосфер за счет СО2. Подходят ли эти условия для абиогенного синтеза биомоно- и полимеров?
В известных экспериментах вроде бы были другие условия?

Марков Александр

Насчет гиперциклов: сейчас ведется очень активная экспериментальная работа в рамках теории "мира РНК". Насинтезировали рибозимов с самыми разнообразными свойствами. РНК - изумительная молекула, способная катализировать практически любые реакции, в том числе - и это ключевой момент! - собственную репликацию. Из различных рибозимов можно "собрать" и любой гиперцикл, я думаю.

Между прочим, ряд процессов, ключевых для развития РНК-мира (например, рекомбинация РНК, объединение нескольких коротких РНК в одну и т.д.) лучше всего идут при минусовых температурах.

А что касается небольших орг. молекул, то многие из них, похоже, могли синтезироваться еще в протопланетном облаке, и быть на Земле с самого начала. По Сорохтину и Ушакову, Земля НИКОГДА не была полностью расплавленной, и это хорошо для теории космического синтеза органических молекул, из которых потом на Земле "собралась" первичная РНК-жизнь.

См. на эту тему тезисы новосибирской конференции: http://macroevolution.narod.ru/novosibirsk2005.htm  (особенно разделы "Космос" и "Мир РНК"), а также ссылки по миру РНК в обзоре:  http://www.macroevolution.narod.ru/paleobac.htm

Nestor notabilis

господа, простите профану, может быть, нелепый вопрос, но... чем отличается комок самопроизвольно синтезировавшихся органических молекул от слизистого тельца микроскопического и примитивного но живого полипа...?
Т.е. где тот барьер, отделяющий кусок вырезки от живой свиньи? И что является пинком, который переведет агломерацию каких-нить рнк и простых белков в состояние ЖИВОГО ?
Или это "нечто" - миф?

Константин Виолован

Хотел бы узнать последние новости относительно трех параметров рибозимов
1. максимальная скорость реакций - в сравнении с энзимами
2. стабильность рибозимов
3. максимальная длина рибозима.
4. разнообразие каталитической активности
5. реальные примеры рибозимов-"РНК-полимераз" и значения их параметров 1-3

Насколько я слышал, рибозимы в среднем обладают невысокой стабильностью (t1/2 - минуты?) и каталитической активностью (на порядки меньше энзимов)

Гиперцикл остается голой абстракцией. Вопросы энергетического обеспечения, синтетической активности и отграничивающей избирательно проницаемой мембраны - не решаются гипотезой рибозимов.

Т.е., мы имеем цепочку индукций, когда нестабильные, малоактивные, неспецифичные компоненты (и в низких/следовых концентрациях, к тому же) - аналоги клеточных - "решают" проблему в данном звене цепочки, что дает право проводить исследования в следующем звене - с полным достатком макроэргов, нуклеотидов итп.

Интересно также узнать у знающих людей, решена ли проблема минимума сложности самовоспроизводящихся аппаратов фон Неймана, которую не то постулировал, не то доказал сам фон Нейман.

Константин Виолован

Вот пример такой многоступенчатой индукции. (Просто поискал в гугле статьи по ключ. словам "ribozyme stability").

Exiting an RNA world
Paul Schimmel and Shana O. Kelley, 2000
http://www.nature.com/nsmb/journal/v7/n1/pdf/nsb0100_5.pdf


...Glutamine (in the activated cyanomethyl ester form (!!!)) was chosen because its amide side chain could be used for specific binding through hydrogen bond contacts with the selected RNA.

...In the end, Lee et al.8 were successful, although the activity of the selected ribozyme (which they designate as AD02) was low: less than 5% of the input tRNA was aminoacylated. This yield corresponded to 0.4 equivalents of the AD02 ribozyme.

...The activated glutamine is coupled to the 5'-OH of the AD02 ribozyme; so, to achieve aminoacylation of tRNA in the second step, the authors had to perform several rounds of thermocycling to allow the tRNA substrate to anneal with the aminoacyl-AD02-ribozyme. That is, between the two steps of the overall aminoacylation reaction, the ribozyme had to go through a significant conformational change.

These results may illustrate the inherent limitations faced by nucleic acid catalysts.
Polynucleotides lack the hydrophobic and electrostatic interactions of polypeptides for substrate selection and binding, and instead are mostly limited to hydrogen bonds. The low efficiency of the ribozyme catalyst described by Lee et al.8 may result from this deficiency in functional diversity. Indeed, the restricted repertoire of interactions available to RNAs may have propelled the emergence of proteins as the dominant catalysts.
Given the results obtained thus far, further selections and tinkering will probably yield substantial improvements...

--Помимо интересных суждений о внутренне присущем рибозимам бедном спектре возможных катализируемых реакций, в статье ничего не говорится о стабильности самого рибозима AD02, но предполагается, что модификация рибозимов гидрофобными аминокислотами должно повысить их стабильность и это - шаг в сторону перехода к белковому синтезу.

Константин Виолован

Цитата: "Марков Александр"
Между прочим, ряд процессов, ключевых для развития РНК-мира (например, рекомбинация РНК, объединение нескольких коротких РНК в одну и т.д.) лучше всего идут при минусовых температурах.

--Или сказать по-другому (дело вкуса!  :wink: )  ключевые процессы для гипотетического РНК-мира хуже всего идут при плюсовых температурах.

Андрей Пустовалов

Отличие живого от неживого - проблема проблем.
В принципе я полагаю, что живое - это сложная открытая система, в случае Земли стоит добавить тезис про химический состав, но это, кажется, не принципиально.
Кусок мяса или протопласта не имеет замкнутого цикла, он не встроен в системы высшего порядка и выпадает из биосферы, как целостности, он разрушается, другие организмы включают его части в себя.
Думаю это самая сложноя проблема - как возникает такая циклически построенная система, как биосфера, как система глобальных креговоротов. Поэтому меня и заинтересовал гиперцикл.
Надо ли понимать, что гиперциклы погут быть построены только на основе РНК? Нельзя ли чегой-то попроще. Ведь показали же возможность передачи генетической информации на основе глины?

Константин Виолован

Цитата: "Андрей Пустовалов"Надо ли понимать, что гиперциклы погут быть построены только на основе РНК? Нельзя ли чегой-то попроще. Ведь показали же возможность передачи генетической информации на основе глины?

--Андрей, Ваш вопрос сводится такой глобальной проблеме, как оценка минимальной сложности системы, способной выполнять данную функцию при данных условиях.
Наверное, никто не будет спорить, что такой минимум существует. Ну, например, трипептид или тринуклеотид не может выполнить функцию ДНК- или РНК-полимеразы. Это можно доказать простым перебором. А вот дальше уже проблемы :-). Один оптимистично настроенный коллега утверждал, что возможен 40-членный пептид, который будет выполнять функцию траслятора, то есть, перевода информации с РНК в первичную последовательность аминокислот в белке. То, что сейчас выполняется мега-комплексом из около ста молекул - тРНК, АРСаз, белковых и РНКовых компонентов рибосом.
К сожалению, не существует раздела "математической 3D-энзимологии" (или как он должен называться), который для любой б/х функции мог бы выдать оценку сложности соотв. б/х аппарата.

Поэтому мы можем лишь гипотетизировать и проводить аналогии.

"Показали возможность передачи информации на основе глины" - это ОЧЕНЬ громко сказано.

Необходимо пристально исследовать то, что сказал Дж. фон Нейман о минимальной сложности самовоспроизводящихся аппаратов. Ниже этого минимума они должны воспроизводиться с дегенерацией. Если я не ошибаюсь, оценка "кода" такого аппарат была дана в 0.5 мегабайт, что близко к длине ДНК Микоплазма гениталиум - паразита, который почти ничего не может синтезировать сам, только использует внешние макроэрги и биомономеры для репликации и функционирования.
Минимальный геном был оценен Куниным Мушегяном в 256 генов - в два раза меньше, чем в микоплазме. Один аппарат трансляции - 100 генов.
Да плюс нестабильность многих биомолекул - с чем клетка борется постоянным синтезом. А также ОТК правильной формы - шаперонами, и постоянным случайным убиквитин-зависимым "отстрелом", обеспечивающим ротацию молекул.

Андрей Пустовалов

""Показали возможность передачи информации на основе глины" - это ОЧЕНЬ громко сказано. "
В сущности я имел в виду работу
http://www.macroevolution.narod.ru/glina.htm

Возможность сохраниния в череде поколений определенного нарушения упорядоченной структуры, это и есть в сущности передача информации.
Эсли подобное нарушение дает некоторые каталитические преимушества - это уже протоген (и одновременно протофермент).
Для РНК, в общем рассуждения достаточно близки, как представляется... :?

Константин Виолован

Но это чистая абстракция.
Проблемы:
--устойчивость дефектов поверхности глины - необходимое условие для того, чтобы быть носителем информации
--надежность  копирования информации, воспроизводимость (где раздел "Materials and methods"?)
--как этот "информационный рисунок" связан с каталитической активностью
--возможность для оксидов алюминия катализировать всю биохимию
--какую информацию кодировать на глиняном носителе, если "мир РНК" не нуждался в информации?
--материальный носитель кода (в современной биохимии это мегакомплекс аппарата трансляции)
--как осуществлялся переход от "глиняной информатики" к "нуклеиновой".

Думаю, хорошим заключением, отражающим уровень проработанности гипотезы, могут быть слова из цитируемой статьи:

I. Почему кристаллические гены не являются обычным компонентом окружающей нас природы, если они на самом деле состоят из простых веществ и если их эволюция — это естественный процесс?

Я мог бы предложить четыре ответа на этот вопрос: 1) быть может, кристаллических генов вообще не существует; 2) генетические минеральные вещества встречаются весьма редко; 3) подходящие условия для репликации минеральных генов складываются нечасто; 4) минеральные гены, прошедшие определенный путь в эволюции, встречаются часто, но мы не умеем их различать. Оставляю выбор ответа читателю.

pavel

Александр
«Мир РНК» не несет пока что никакой объяснительной силы. Возникновение синтеза ФУНКЦИОНАЛЬНО НЕОБХОДИМЫХ белков на матрице ДНК (естественно через посредство РНК) эта гипотеза никак не объясняет. Скорее всего «мир РНК» - это открывшийся мир фукциональных возможностей РНК в рамках основного процесса ДНК-полипептид, взятый сам по себе, в чистом виде. А нынешняя шумиха – это своего рода эйфория открывшихся возможностей и надежд но ...увы
«When people agree with me, I always feel that I must be wrong».

«If you want to avoid seeing a fool you must first break your mirror».

Андрей Пустовалов

Возможно, что протоорганизмов глина-рнк и не было вовсе. Глина - это был "альтернативный проект" который рнкшки вытеснили, по принципу химического отбора. Прото не оставили им энергии, все через себя пропустили.
Да, кстати, аналогами таких неудачников могли быть и фрамбоидальные пирриты.