生命起源时复杂生化系统如何演化？Nature Chemistry 最新研究提出分子拼装假说

集智俱乐部 · 公众号 · · 2025-01-23 20:57

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关键词： 复杂生化系统，生命起源，分子拼装假说，分子进化，蛋白质翻译

论文题目：Intellectual frameworks to understand complex biochemical systems at the origin of life

论文地址：https://www.nature.com/articles/s41557-024-01698-4

期刊名称： Nature Chemistry

生命的起源涉及从简单分子到复杂系统的演化过程，例如蛋白质翻译。蛋白质翻译是现代生命体中高度复杂且不可或缺的系统，其复杂性令人难以想象如何从简单的分子基础演化而来。传统的“RNA世界理论”提出，RNA既是遗传信息的载体，也是催化反应的酶，从而解决了DNA和蛋白质“先有鸡还是先有蛋”的悖论。然而，该理论在解释复杂系统的进一步进化方面存在局限性。近期发表在 Nature Chemistry 的观点文章提出“分子拼装假说” （molecular bricolage），认为复杂系统的部件最初进化为与现代功能无关的其他用途，这些部件通过偶然的关联逐渐形成新的功能，最终演化为高度复杂的系统。

首先，研究者提出分子拼装的两阶段模型，将复杂系统的进化分为初始和组合阶段。在 初始阶段 阶段，各部件为了特定的早期功能而进化，如RNA、蛋白质或简单的分子，但这些功能与系统的最终功能无关。例如，早期tRNA可能仅作为催化的辅助因子，而非信息适配器。在 组合阶段 阶段，这些部件偶然形成粗糙的集合体，展现出新的功能，这种新功能为生物体提供适应性优势，从而受到自然选择的强化。

文章列举了支持分子拼装的多个实验与化学机制，为分子拼装模型提供支持。 非酶促RNA复制 ：氨酰化RNA可能促进RNA的快速复制，尽管这一功能最初与蛋白质翻译无关； 肽和RNA的相互作用 ：简单的原肽可以增加RNA的稳定性或作为催化因子辅助反应； 原始核糖体的功能 ：核糖体可能最初并非用于蛋白质合成，而是作为RNA复制酶发挥作用，随后逐渐被用于蛋白质翻译。文章进一步讨论了分子拼装假说在其他生命起源问题中的应用，例如，实验和计算分析显示， 代谢网络 可能通过重新利用（co-option）现有路径而扩展；脂质与RNA的相互作用可以增强分子功能，为 原始细胞的形成 提供支持。

分子拼装假说的提出为复杂系统的起源提供了全新的视角。通过将复杂系统分解为易于研究的子模块，该理论为设计实验提供了明确方向。研究者指出，现有研究大多集中于“如何实现”，例如合成核酸或氨基酸的方法，而“为什么进化”的问题同样值得深入探讨。未来，这一框架有望推动化学家和生物学家在生命起源领域的进一步合作，为解答生命起源的深层次问题提供思路。

图 1. 现代的蛋白质翻译在所有已知的生命形式中都被保留下来，并且需要由许多相互作用的部分组成的复杂分子机器来实现。

图 2. 蛋白质翻译中生化元素起源的假设路径。

图 3. 单一选择压力与分子拼装的示意图。

图 4. 编码蛋白质合成所需的元素，被假设最初为不相关的功能而进化。

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