Гиперцикл (химия)

Гиперцикл

В химии гиперцикл — это абстрактная модель организации самовоспроизводящихся молекул, связанных циклическим автокаталитическим образом . Он был введен в форме обыкновенного дифференциального уравнения (ОДУ) Нобелевской премии по химии лауреатом Манфредом Эйгеном в 1971 году. и впоследствии расширен в сотрудничестве с Питером Шустером . Он был предложен как решение проблемы порога ошибки , возникающей при моделировании репликативных молекул, гипотетически существовавших на первобытной Земле (см.: абиогенез ). Таким образом, это объяснило, как жизнь на Земле могла возникнуть с использованием только относительно коротких генетических последовательностей , которые теоретически были слишком короткими для хранения всей необходимой информации. Гиперцикл является частным случаем уравнения репликатора . Наиболее важными свойствами гиперциклов являются автокаталитическая конкуренция роста между циклами, раз и навсегда избирательное поведение, использование небольшого селективного преимущества, быстрая эволюционность, повышенная информационная емкость и отбор против паразитических ветвей.

Центральные идеи

Гиперцикл — это цикл связанных самовоспроизводящихся макромолекул . В гиперцикле все молекулы связаны так, что каждая из них катализирует создание своей преемницы, причем последняя молекула катализирует первую. Таким образом, цикл усиливается. Более того, каждая молекула дополнительно является объектом самовоспроизведения. В результате система представляет собой новый уровень самоорганизации , который включает в себя как сотрудничество, так и эгоизм. позволяет поддерживать высокое генетическое разнообразие популяции Сосуществование множества генетически неидентичных молекул . Это может быть решением проблемы порога ошибки, которая гласит, что в системе без идеальной репликации избыток событий мутации разрушит способность переносить информацию и предотвратит создание более крупных и более приспособленных макромолекул. Более того, было показано, что гиперциклы могут возникать естественным путем и что включение новых молекул может расширить их. . Гиперциклы также подвержены эволюции и, как таковые, могут подвергаться процессу отбора . В результате система не только получает информацию, но и ее информационное содержание может быть улучшено. С эволюционной точки зрения гиперцикл — это промежуточное состояние самоорганизации, но не окончательное решение.

За прошедшие годы теория гиперцикла претерпела множество переформулировок и методологических подходов. Среди них наиболее заметными являются приложения уравнений в частных производных , клеточные автоматы , и стохастические формулировки проблемы Эйгена. Несмотря на множество преимуществ, которые представляет концепция гиперциклов, существовали также некоторые проблемы, связанные с формулировкой традиционной модели с использованием ОДУ: уязвимость к паразитам и ограниченный размер стабильных гиперциклов. В 2012 году было опубликовано первое экспериментальное доказательство возникновения кооперативной сети среди фрагментов самосборочных рибозимов , демонстрирующее их преимущества перед самовоспроизводящимися циклами. Однако, хотя этот эксперимент доказывает существование сотрудничества между подсетями рибозимов рекомбиназы , эта кооперативная сеть не образует гиперцикл как таковой, поэтому нам все еще не хватает экспериментальной демонстрации гиперциклов.

Формулировка модели

Эволюция модели

• 1971 ( 1971 ) : Эйген представляет концепцию гиперцикла.
• 1977 ( 1977 ) : Эйген и Шустер расширяют концепцию гиперцикла, предлагают теорию гиперцикла и вводят концепцию квазивидов.
• 1982 ( 1982 ) : Открытие каталитических свойств рибозимов.
• 2001 ( 2001 ) : Частичный рибозим РНК-полимеразы создан посредством направленной эволюции.
• 2012 ( 2012 ) : Экспериментальная демонстрация того, что рибозимы могут образовывать коллективные автокаталитические наборы.

Проблема с порогом ошибки

Презентация проблемы порога ошибки

Когда была создана модель реплицирующихся молекул, Было обнаружено, что для эффективного хранения информации макромолекулы на добиотической Земле не могли превышать определенную пороговую длину. Эта проблема известна как проблема порога ошибки. Оно возникает потому, что репликация — несовершенный процесс, и во время каждого события репликации существует риск включения ошибок в новую последовательность , приводящих к созданию квазивида . В системе, лишенной высокоточных реплик и механизмов исправления ошибок , мутации происходят с высокой вероятностью. Как следствие, информация, хранящаяся в последовательности, может быть потеряна из-за быстрого накопления ошибок, так называемой катастрофы ошибок . Более того, было показано, что размер генома любого организма примерно равен обратной частоте мутаций на сайт на репликацию. Следовательно, высокая частота мутаций накладывает серьезное ограничение на длину генома. Чтобы решить эту проблему, необходим более специализированный механизм репликации, способный копировать генетическую информацию с более высокой точностью. Манфред Эйген предположил, что для выполнения этой задачи необходимы белки. Однако для кодирования такой сложной системы, как белок, необходимы более длинные нуклеотидные последовательности, что еще больше увеличивает вероятность мутации и требует еще более сложного механизма репликации. Джон Мейнард Смит и Эёрс Сатмари назвали этот порочный круг парадоксом Эйгена .

По современным оценкам, максимальная длина реплицируемой цепи, которая может быть правильно воспроизведена и поддержана в бесферментных системах, составляет около 100 оснований , что считается недостаточным для кодирования механизма репликации. Это наблюдение послужило мотивацией для формулировки теории гиперцикла.

Модели

Было высказано предположение, что проблему создания и поддержания более крупных, более сложных и более точно реплицируемых молекул можно обойти, если несколько носителей информации, каждый из которых хранит небольшой фрагмент информации, соединить так, что они будут контролировать только свою собственную концентрацию . что для наблюдения совместного поведения самовоспроизводящихся молекул они должны быть связаны петлей положительной обратной связи каталитических Исследования математической модели, описывающей реплицирующиеся молекулы, показали , действий. Такая закрытая сеть, состоящая из самовоспроизводящихся объектов, связанных каталитической петлей положительной обратной связи, была названа элементарным гиперциклом. Такая концепция, помимо повышенной информационной емкости, имеет еще одно преимущество. Соединение самовоспроизведения с взаимным катализом может привести к нелинейному росту системы. Это, во-первых, делает систему устойчивой к так называемым паразитическим ветвям. Паразитические ветви — это связанные с циклом виды , не дающие никаких преимуществ воспроизводству цикла, что, в свою очередь, делает их бесполезными и снижает селективную ценность системы. Во-вторых, это усиливает самоорганизацию молекул в гиперцикл, позволяя системе развиваться без потери информации, что решает проблему порога ошибки.

Гиперцикл с трансляцией.

Анализ потенциальных молекул, которые могли бы образовывать первые гиперциклы в природе, натолкнул на мысль о сочетании функции переноса информации с ферментативными свойствами. На момент формулирования теории гиперцикла ферментативные свойства приписывались только белкам , а нуклеиновые кислоты признавались лишь носителями информации. Это привело к формулировке более сложной модели гиперцикла с трансляцией . Предлагаемая модель состоит из ряда нуклеотидных последовательностей I ( I — промежуточный) и такого же количества полипептидных цепей E ( E — фермент). Последовательности I имеют ограниченную длину цепи и несут информацию, необходимую для построения каталитических E. цепей Последовательность I _i обеспечивает матрицу для самовоспроизведения и матрицу для построения белка E _i . Белок E _i обеспечивает каталитическую поддержку для построения следующей последовательности в цикле I _{i +1} . Самовоспроизводящиеся последовательности I образуют цикл, состоящий из положительных и отрицательных цепей , которые периодически воспроизводят себя. Следовательно, многие циклы коллективов +/- нуклеотидов связаны между собой циклом ферментативных свойств второго порядка. E , образуя каталитический гиперцикл. Без вторичной петли, обеспечиваемой катализом, I- цепи конкурировали бы и отбирали друг друга вместо того, чтобы сотрудничать. Размножение возможно благодаря функциям трансляции и полимеризации, закодированным в I- цепях. В своей основной работе Манфред Эйген заявил, что E , кодируемый цепью I может быть специфической полимеразой или энхансером (или сайленсером ) более общей полимеразы, действующей в пользу образования преемника нуклеотидной цепи I. , Позже он указал, что общая полимераза приводит к гибели системы. Более того, весь цикл должен быть замкнутым, так что должен _En катализировать образование I ₁ для некоторого целого числа n > 1.

Альтернативные концепции

В ходе своих исследований Эйген и Шустер также рассматривали типы сцепления белков и нуклеотидов, помимо гиперциклов. Одной из таких альтернатив была модель с одной репликазой, выполнявшей полимеразную функциональность и представлявшей собой продукт трансляции одной из матриц РНК , существующих среди квазивидов. Эта РНК-зависимая РНК-полимераза катализировала репликацию последовательностей, которые имели специфические мотивы , распознаваемые этой репликазой. Остальные матрицы РНК или только одна из их цепей предоставили продукты трансляции, которые имели специфические антикодоны и отвечали за уникальное назначение и транспортировку аминокислот.

Другая концепция, разработанная Эйгеном и Шустером, заключалась в модели, в которой репликация каждой матрицы РНК катализировалась ее собственным продуктом трансляции; в то же время эта матрица РНК выполняла функцию транспорта для одного типа аминокислот. Существование более чем одной такой матрицы РНК могло бы сделать трансляцию возможной.

Тем не менее, в обеих альтернативных концепциях система не выживет из-за внутренней конкуренции между ее составляющими. Даже если ни один из компонентов такой системы не имеет избирательного предпочтения, что потенциально допускает сосуществование всех связанных молекул, они не способны коэволюционировать и оптимизировать свои свойства. В результате система теряет внутреннюю устойчивость и не может жить дальше. Причина неспособности выжить — отсутствие взаимного контроля численности составляющих .

Математическая модель

Элементарный гиперцикл

Динамику дифференциального элементарного гиперцикла можно смоделировать с помощью следующего уравнения :

${\dot {x_{i}}}=x_{i}\left(k_{i}+\sum _{j}k_{i,j}x_{j}-{\frac {1}{x}}\phi \right)$

где

${\begin{aligned}x&=\sum _{i}x_{i},\\k_{i}&=f_{i}-d_{i}.\end{aligned}}$

В приведенном выше уравнении x _i представляет собой концентрацию шаблона I _i ; x — общая концентрация всех шаблонов; k _i представляет собой избыточную скорость производства матрицы I _i , которая представляет собой разницу между образованием путем _fi самовоспроизведения матрицы и ее деградацией d _i , обычно путем гидролиза ; k _{i , j} – скорость производства матрицы I _i, катализируемая I _j ; и φ разбавления — поток ; что гарантирует постоянство общей концентрации. Скорость образования и разложения выражается в количестве молекул в единицу времени при единичной концентрации ( x _i = 1). Полагая, что при высокой концентрации x членом k _i можно пренебречь и, более того, в гиперцикле шаблон может воспроизводиться только самим собой и предыдущим членом цикла, уравнение можно упростить до:

${\dot {x_{i}}}=x_{i}\left(k_{i,i-1}x_{i-1}-{\frac {1}{x}}\phi \right)$

где согласно циклическим свойствам можно предположить, что

${\begin{aligned}k_{i,0}&=k_{i,n},\\x_{0}&=x_{n}.\end{aligned}}$

Гиперцикл с переводом

Гиперцикл с трансляцией состоит из полинуклеотидов I _i (с концентрацией x _i ) и полипептидов E _i (с концентрацией y _i ). Предполагается, что кинетика синтеза нуклеотидов подчиняется схеме реакций типа Михаэлиса–Ментен, в которой нельзя пренебрегать концентрацией комплексов. В ходе репликации молекулы образуют комплексы I _i E _{i -1} (встречающиеся с концентрацией z _i ). Таким образом, общая концентрация молекул ( x _i ⁰ и я _​ ⁰ ) будет суммой свободных молекул и молекул, входящих в комплекс:

${\begin{aligned}x_{i}^{0}&=x_{i}+z_{i},\\y_{i}^{0}&=y_{i}+z_{i+1}.\end{aligned}}$

Динамику гиперцикла с трансляцией можно описать с помощью системы дифференциальных уравнений, моделирующих общее число молекул:

${\begin{aligned}{\dot {x}}_{i}^{0}&=f_{i}z_{i}-{\frac {x_{i}^{0}}{c_{I}}}\phi _{x},\\{\dot {y}}_{i}^{0}&=k_{i}x_{i}-{\frac {y_{i}^{0}}{c_{E}}}\phi _{y}\end{aligned}}$

где

${\begin{aligned}c_{I}&=\sum _{i}x_{i}^{0},\\c_{E}&=\sum _{i}y_{i}^{0}.\end{aligned}}$

В приведенных выше уравнениях c _E и c _I представляют собой общие концентрации всех полипептидов и всех полинуклеотидов, φ _x и φ _y представляют собой потоки разбавления, k _i представляет собой скорость продукции полипептида E _i, транслированного из полинуклеотида I _i , и fi _{представляет} собой скорость продукции полинуклеотида I _i, синтезируемого комплексом I _i E _{i -1} (посредством репликации и полимеризации).

Соединение нуклеиновых кислот с белками в такой модели гиперцикла с трансляцией требовало правильной модели происхождения кода трансляции как необходимого условия возникновения организации гиперцикла. Во время формулирования теории гиперцикла Криком и его сотрудниками были предложены две модели происхождения кода трансляции. Это были модели, в которых утверждалось, что первые кодоны были построены по схеме RRY или RNY, в которой R означает пуриновое основание, Y - пиримидин, а N - любое основание, причем последнее считалось более надежным. В настоящее время предполагается, что модель гиперцикла может быть реализована путем использования рибозимов без необходимости гиперцикла с трансляцией, и существует еще много теорий о происхождении генетического кода .

Эволюция

Образование первых гиперциклов

Эйген сделал несколько предположений об условиях, приведших к образованию первых гиперциклов. Некоторые из них были следствием отсутствия знаний о рибозимах, открытых через несколько лет после введения концепции гиперцикла. и опроверг предположения Эйгена в строгом смысле слова. Основной из них заключался в том, что для формирования гиперциклов требовалось наличие обоих типов цепей: нуклеиновых кислот, образующих квазивидовую популяцию, и белков с ферментативными функциями. В настоящее время, учитывая знания о рибозимах, возможно, что члены гиперцикла были отобраны из квазивидовой популяции и ферментативную функцию выполняла РНК. Согласно теории гиперцикла, именно из этой популяции возникла первая примитивная полимераза. Как следствие, катализируемая репликация может превзойти некаталитические реакции, и система может расти быстрее. Однако этот быстрый рост представлял угрозу для новой системы, поскольку вся система могла потерять контроль над относительным количеством РНК с ферментативной функцией. Система требовала более надежного контроля над ее составляющими — например, путем включения соединения основных РНК в петлю положительной обратной связи. Без этой петли обратной связи система репликации была бы потеряна. Эти петли положительной обратной связи сформировали первые гиперциклы.

В описанном выше процессе тот факт, что первые гиперциклы произошли из квазивидовой популяции (популяции сходных последовательностей), создал значительное преимущество. Одна из возможностей связывания разных цепей I , чего относительно легко достичь с учетом квазивидовых свойств, состоит в том, что одна цепь I улучшает синтез аналогичной цепи I '. Таким образом, существование сходных последовательностей I, происходящих из одной и той же популяции квазивидов, способствует созданию связи между молекулами I и I '.

Эволюционная динамика

После образования гиперцикл достигает либо внутреннего равновесия , либо состояния с осциллирующими концентрациями каждого типа цепей I , но при этом суммарная концентрация всех цепей остается постоянной. Таким образом, систему, состоящую из всех цепочек, можно представить как единое целое. отбор гиперцикла с наибольшим значением приспособленности . При формировании гиперциклов некоторые из них могли присутствовать в сопоставимых концентрациях, но очень скоро произойдет Здесь величина приспособленности выражает адаптацию гиперцикла к окружающей среде , и отбор на ее основе очень острый. После того, как один гиперцикл выиграет соревнование, очень маловероятно, что другой сможет занять его место, даже если новый гиперцикл окажется более эффективным, чем победитель. Обычно даже большие колебания численности внутренних видов не могут ослабить гиперцикл настолько, чтобы разрушить его. В случае гиперцикла можно говорить о выборе «один навсегда», который отвечает за существование уникального кода трансляции и особой киральности .

Описанная выше идея устойчивости гиперцикла является результатом экспоненциального роста его составляющих, вызванного каталитической поддержкой. Однако Эёрс Сатмари и Ирина Гладких показали, что безусловное сосуществование может быть достигнуто даже в случае неферментативной репликации матрицы, приводящей к субэкспоненциальному или параболическому росту. Это можно наблюдать на стадиях, предшествующих каталитической репликации, необходимых для образования гиперциклов. Сосуществование различных неферментативно реплицирующихся последовательностей могло бы помочь поддерживать достаточное разнообразие модулей РНК, используемых позже для построения молекул с каталитическими функциями.

С математической точки зрения можно найти условия, необходимые для взаимодействия нескольких гиперциклов. Однако в действительности кооперация гиперциклов была бы чрезвычайно сложной, поскольку требует существования сложного многоступенчатого биохимического механизма или включения более чем двух типов молекул. Оба условия кажутся очень невероятными; поэтому существование связанных гиперциклов на практике считается невозможным.

Эволюция гиперцикла происходит в результате создания новых компонентов путем мутации его внутренних видов. Мутации могут быть включены в гиперцикл, расширяя его тогда и только тогда, когда выполняются два требования. носитель информации I _{Во-первых, новый} , созданный мутацией, должен лучше узнаваться одним из членов гиперцикла I _i, чем цепочка I _{i +1} , которая была им ранее распознана. Во-вторых, новый член I _нового цикла должен лучше катализировать образование полинуклеотида I _{i +1} , которое ранее катализировалось продуктом его предшественника I _i . Теоретически в гиперцикл можно включить мутации, не удовлетворяющие второму условию. Они образуют паразитические ветви, которые используют систему для собственного репликации, но не вносят вклада в систему в целом. Однако было замечено, что такие мутанты не представляют угрозы для гиперцикла, поскольку другие составляющие гиперцикла растут нелинейно, что препятствует росту паразитических ветвей.

Эволюционная динамика: математическая модель

Согласно определению гиперцикла, это нелинейная динамическая система, и в простейшем случае можно предположить, что он растет со скоростью, определяемой системой квадратных дифференциальных уравнений. Тогда конкуренцию между развивающимися гиперциклами можно смоделировать с помощью дифференциального уравнения:

${\dot {C_{l}}}=q_{l}C_{l}^{2}-C_{l}{\frac {\phi }{C}}$

где

$C=\sum _{l}C_{l}.$

Здесь C _l — общая концентрация всех полинуклеотидных цепей, принадлежащих гиперциклу H _l , C — общая концентрация полинуклеотидных цепей, принадлежащих всем гиперциклам, q _l — скорость роста, а φ — поток разбавления, гарантирующий, что общая концентрация постоянна. выбор гиперцикла с наибольшим значением q _l Согласно приведенной выше модели, на начальном этапе, когда существует несколько гиперциклов, происходит . Когда один гиперцикл побеждает в отборе и доминирует в популяции, его очень сложно заменить даже гиперциклом с гораздо более высокой скоростью роста q .

Компартментализация и интеграция генома

Теория гиперцикла предполагала, что гиперциклы не являются конечным состоянием организации, и дальнейшее развитие более сложных систем возможно путем заключения гиперцикла в некую мембрану . После эволюции компартментов геномная интеграция гиперцикла может продолжаться путем объединения его членов в единую цепь, образующую предшественник генома . После этого весь индивидуализированный и разделенный на части гиперцикл может вести себя как простая самовоспроизводящаяся сущность. Разделение дает некоторые преимущества системе, в которой уже установлены связи между подразделениями. Без разделения геномная интеграция усилит конкуренцию за счет ограничения пространства и ресурсов. Более того, адаптивная эволюция требует пакета передаваемой информации для полезных мутаций, чтобы не помогать менее эффективным копиям гена. Первое преимущество состоит в том, что он поддерживает высокую локальную концентрацию молекул, что помогает локально увеличить скорость синтеза. Во-вторых, он сохраняет эффект мутаций локальным, в то же время затрагивая весь компартмент. Это способствует сохранению полезных мутаций, поскольку предотвращает их распространение. В то же время вредные мутации не могут загрязнить всю систему, если они окружены мембраной. Вместо этого уничтожается только зараженный отсек, не затрагивая другие отсеки. Таким образом, компартментализация позволяет осуществлять отбор генотипических мутаций. В-третьих, мембраны защищают от факторов окружающей среды, поскольку представляют собой барьер для молекул большого веса или УФ облучение . Наконец, поверхность мембраны может работать как катализатор.

Несмотря на вышеупомянутые преимущества, существуют также потенциальные проблемы, связанные с разделенными гиперциклами. Эти проблемы включают в себя трудности с транспортировкой ингредиентов внутрь и наружу, синхронизацию синтеза новых копий компонентов гиперцикла и разделение растущего отсека, связанное с проблемой упаковки.

В первоначальных работах компартментализация рассматривалась как эволюционное следствие гиперциклической организации. Карстен Бреш и его коллеги выдвинули возражение, что гиперциклическая организация не является необходимой, если принимать во внимание компартменты. Они предложили так называемую пакетную модель, в которой достаточно одного типа полимеразы, и она копирует все полинуклеотидные цепи, содержащие особый мотив узнавания. Однако, как отмечают авторы, такие пакеты, в отличие от гиперциклов, уязвимы для вредных мутаций, а также для бездны флуктуаций, в результате чего в пакетах отсутствует одна из основных молекул РНК. Эйген и его коллеги утверждали, что простой набор генов не может решить проблему интеграции информации, а гиперциклы нельзя просто заменить компартментами, но компартменты могут способствовать гиперциклам. Эта проблема, однако, вызвала больше возражений, и Эёрс Сатмари и Ласло Деметре пересмотрели вопрос о том, является ли упаковка гиперциклов в отсеки необходимой промежуточной стадией эволюции. Они изобрели модель стохастического корректора. это предполагало, что репликативные матрицы конкурируют внутри компартментов, а селективные значения этих компартментов зависят от внутреннего состава шаблонов. Численное моделирование показало, что при учете стохастических эффектов компартментализации достаточно, чтобы интегрировать информацию, рассредоточенную в конкурентных репликаторах, без необходимости организации гиперцикла. Более того, было показано, что компартментализированные гиперциклы более чувствительны к вредным мутациям, чем простой пакет конкурирующих генов. Тем не менее, модели пакетов не решают проблему порога ошибки, которая изначально послужила причиной создания гиперцикла.

Рибозимы

На момент формулирования теории гиперцикла рибозимы еще не были известны. После прорыва в открытии каталитических свойств РНК в 1982 г. стало ясно, что РНК обладает способностью объединять свойства белков и нуклеотидных цепей в одно целое. Рибозимы, потенциально служащие матрицами и катализаторами репликации, можно считать компонентами квазивидов, которые могут самоорганизовываться в гиперцикл без необходимости изобретать процесс трансляции. был создан частичный рибозим РНК-полимеразы В 2001 году посредством направленной эволюции . Тем не менее, он смог катализировать только полимеризацию цепи размером около 14 нуклеотидов, хотя ее длина составляла 200 нуклеотидов. Самая современная версия этой полимеразы была показана в 2013 году. Хотя он обладает способностью катализировать полимеризацию более длинных последовательностей, даже своей собственной длины, он не может реплицироваться из-за отсутствия общности последовательностей и неспособности пересекать вторичные структуры длинных матриц РНК. Однако недавно было показано, что эти ограничения в принципе можно преодолеть путем сборки активных полимеразных рибозимов из нескольких коротких цепей РНК. В 2014 году был продемонстрирован кросс-хиральный рибозим РНК-полимеразы. Было высказано предположение, что он предлагает новый способ узнавания между ферментом и субстратами, который основан на форме субстрата и позволяет избежать спаривания Уотсона-Крика и, следовательно, может обеспечить большую общность последовательности. Различные другие эксперименты показали, что, помимо полимеразных свойств, рибозимы могли развивать другие виды эволюционно полезной каталитической активности, такие как синтазная , лигазная или аминоацилазная активность. Рибозимальные аминоацилаторы и рибозимы, обладающие способностью образовывать пептидные связи , возможно, сыграли решающую роль в изобретении трансляции. РНК-лигаза, в свою очередь, могла бы связывать различные компоненты квазивидов в одну цепь, начиная процесс интеграции генома. РНК с синтазной или синтетазной активностью может иметь решающее значение для построения компартментов и обеспечения строительных блоков для роста РНК и белковых цепей, а также других типов молекул. В настоящее время известно множество примеров такого рода рибозимов, включая рибозим пептидилтрансферазы , лигаза, и нуклеотидсинтетаза . Трансаминоацилатор, описанный в 2013 году, состоит из пяти нуклеотидов. чего достаточно для реакции трансаминоацилирования и что делает его самым маленьким рибозимом , который был обнаружен. Он поддерживает синтез пептидил-РНК, который может стать предшественником современного процесса связывания аминокислот с молекулами тРНК. Каталитический домен РНК-лигазы, состоящий из 93 нуклеотидов, оказался достаточным для катализа реакции связывания между двумя цепями РНК. Аналогичным образом, рибозим ацилтрансферазы длиной 82 нуклеотида был достаточен для проведения реакции ацилтрансфера. В целом результаты, касающиеся каталитического домена РНК-лигазы и рибозима ацилтрансферазы, согласуются с расчетным верхним пределом в 100 нуклеотидов, установленным проблемой порога ошибки. Однако была выдвинута гипотеза, что даже если предполагаемые первые РНК-зависимые РНК-полимеразы считаются длиннее, наименьший из известных на сегодняшний день рибозимов РНК-зависимой полимеразы имеет длину 165 нуклеотидов. — они не должны были возникнуть в один момент. Более вероятно, что лигирование меньших цепей РНК, выполненное первыми РНК-лигазами, привело к образованию более длинной цепи с желаемым каталитически активным полимеразным доменом.

Спустя сорок лет после публикации основной работы Манфреда Эйгена, посвященной гиперциклам, Нилеш Вайдья и его коллеги экспериментально показали, что рибозимы могут образовывать каталитические циклы и сети, способные увеличивать свои размеры за счет включения новых членов. Однако это не демонстрация гиперцикла в соответствии с его определением, а пример коллективно- автокаталитического комплекса . Ранее компьютерное моделирование показало, что молекулярные сети могут возникать, развиваться и быть устойчивыми к паразитическим ветвям РНК. В своих экспериментах Vaidya et al. использовали интрон-рибозим Azoarcus группы I, который при фрагментации обладает способностью самособираться, катализируя реакции рекомбинации автокаталитическим образом. Они мутировали последовательности длиной в три нуклеотида, ответственные за распознавание целевых последовательностей на противоположном конце рибозима (а именно, внутренние направляющие последовательности или IGS), а также эти целевые последовательности. Некоторые генотипы могли осуществлять кооперацию, распознавая целевые последовательности других рибозимов, способствуя их ковалентному связыванию , в то время как другие эгоистичные генотипы были способны только к самосборке. В условиях разделения эгоистичная подсистема росла быстрее, чем кооперативная. После смешивания эгоистичных рибозимов с кооперативными наблюдалось появление кооперативного поведения в слитой популяции, опережающей самоорганизующиеся подсистемы. Более того, эгоистичные рибозимы были интегрированы в сеть реакций, поддерживая ее рост. Эти результаты были также объяснены аналитически с помощью модели ОДУ и ее анализа. Они существенно отличаются от результатов, полученных в эволюционная динамика . Согласно теории эволюционной динамики, эгоистичные молекулы должны доминировать в системе, даже если скорость роста эгоистичной подсистемы в отдельности ниже, чем скорость роста кооперативной системы. Более того, Vaidya et al. доказали, что при фрагментации на большее количество частей рибозимы, способные к самосборке, могут не только по-прежнему образовывать каталитические циклы, но и способствовать им. Результаты, полученные в экспериментах Vaidya et al. дал представление о том, как неэффективные пребиотические полимеразы, способные синтезировать только короткие олигомеры , могут быть достаточными на преджизненной стадии, чтобы зажечь жизнь. Это могло произойти потому, что объединение синтеза коротких фрагментов РНК с помощью первых рибозимальных полимераз с системой, способной к самосборке, не только позволяет создавать более длинные последовательности, но также позволяет более эффективно использовать пространство приспособленности с использованием процесса рекомбинации . Другой эксперимент, проведенный Ханнесом Мучлером и др. показали, что описанный ими рибозим РНК-полимеразы может быть синтезирован in situ путем лигирования четырех меньших фрагментов, что сродни рекомбинации рибозима Azoarcus из четырех неактивных олигонуклеотидных фрагментов, описанных ранее. Помимо существенного вклада вышеуказанных экспериментов в исследование происхождения жизни, они не доказали экспериментально существование гиперциклов.

Связанные проблемы и переформулировки

Концепция гиперцикла постоянно изучалась с момента ее возникновения. Вскоре после того, как Эйген и Шустер опубликовали свою основную работу о гиперциклах, Джон Мейнард Смит выдвинул возражение, что каталитическая поддержка репликации, предоставляемая другим молекулам, является альтруистической. Следовательно, его нельзя выбрать и поддерживать в системе. Он также подчеркнул уязвимость гиперцикла к паразитам, поскольку им благоприятствует отбор. Позже Йозеф Хофбауэр и Карл Зигмунд указали, что в действительности гиперцикл может содержать менее пяти членов. В соответствии с основным анализом Эйгена и Шустера они утверждали, что системы с пятью или более видами демонстрируют ограниченное и нестабильное циклическое поведение, потому что некоторые виды могут вымереть из-за стохастических событий и разорвать петлю положительной обратной связи, которая поддерживает гиперцикл. Затем следует угасание гиперцикла. Также было подчеркнуто, что размер гиперцикла до четырех слишком мал для поддержания количества информации, достаточного для преодоления информационного порога.

Некоторые исследователи предложили решение этих проблем путем явного введения пространства в исходную модель. или в форме пространственного разделения внутри отсеков. Бреш и др. предложил пакетную модель как решение проблемы паразитов. Позже Сатмари и Деметра предложил модель машины стохастического корректора. Обе разделенные системы оказались устойчивыми к паразитам. Однако модели пакетов не решают проблему порога ошибки, которая изначально послужила основой для идеи гиперцикла. Несколько лет спустя Маартен Бурлейст и Паулиен Хогевег , а позже Нобуто Такеучи изучали уравнения репликатора с использованием уравнений в частных производных. и модели клеточных автоматов, методы, которые уже доказали свою эффективность в других приложениях. Они продемонстрировали, что пространственная самоструктуризация системы полностью решает проблему глобального вымирания крупных систем и частично проблему паразитов. Последнее также было проанализировано Робертом Мэем , которые заметили, что возникающая вращающаяся спиральная волновая структура, которая наблюдалась во время компьютерного моделирования, выполненного на клеточных автоматах, оказалась стабильной и способной пережить вторжение паразитов, если они появятся на некотором расстоянии от ядра волны. К сожалению, в этом случае вращение замедляется по мере увеличения числа членов гиперцикла, а это означает, что отбор имеет тенденцию к уменьшению количества информации, хранящейся в гиперцикле. Кроме того, существует также проблема с добавлением новой информации в систему. Чтобы сохраниться, новая информация должна появиться вблизи ядра спиральной волны. Однако это сделает систему уязвимой для паразитов и, как следствие, гиперцикл не будет стабильным. Таким образом, для стабильных спиральных волн характерен одноразовый отбор, который создает ограничения: с одной стороны, как только информация добавлена ​​в систему, от нее нельзя легко отказаться; с другой стороны, новую информацию добавить невозможно.

Другая модель, основанная на клеточных автоматах и ​​учитывающая более простую реплицирующуюся сеть непрерывно мутирующих паразитов и их взаимодействие с одним видом репликаз, была предложена Такеучи и Хогевегом. и продемонстрировал возникающую картину бегущей волны. Удивительно, но бегущие волны не только оказались устойчивыми против умеренно сильных паразитов, если частота мутаций паразитов не слишком высока, но и сама возникающая закономерность возникла в результате взаимодействия между паразитами и видами репликаз. Тот же метод использовался для моделирования систем, включающих образование комплексов. Наконец, моделирование гиперцикла в трех измерениях показало появление трехмерного аналога спиральной волны, а именно, волны свитка.

Сравнение с другими теориями жизни

Гиперцикл — лишь одна из нескольких современных теорий жизни, включая хемотонную. Тибора Ганти , ( M,R ) системы Роберта Розена , аутопоэзис (или самопостроение ) Умберто Матураны и Франсиско Варела , а также автокаталитические наборы Стюарта Кауфмана , аналогично более раннему предложению Фримена Дайсона . Все они (включая гиперцикл) нашли свое первоначальное вдохновение в книге Эрвина Шредингера « Что такое жизнь?» но на первый взгляд кажется, что они имеют мало общего друг с другом, главным образом потому, что авторы не общались друг с другом, и никто из них не делал в своих основных публикациях никаких ссылок на какие-либо другие теории. Тем не менее, сходства больше, чем может показаться на первый взгляд, например, между Ганти и Розеном. До недавнего времени почти не было попыток сравнить различные теории и обсудить их вместе.

Последний универсальный общий предок (LUCA)

авторы приравнивают модели происхождения жизни к LUCA, универсальному общему предку последнему всей . Некоторые жизни существующей Это серьезная ошибка, возникающая из-за неспособности признать, что L относится к последнему общему предку, а не к первому предку, который намного старше: до появления LUCA произошла большая эволюция.

Гилл и Фортер выразили суть следующим образом:

LUCA не следует путать с первой клеткой, она была продуктом длительного периода эволюции. Быть «последним» означает, что LUCA предшествовала длинная череда более старых «предков».

Ссылки

Эта статья была адаптирована из следующего источника под лицензией CC BY 4.0 ( 2016 г. ) ( отчеты рецензента ): Наталья Шостак; Шимон Васик; Яцек Блажевич (7 апреля 2016 г.). «Гиперцикл» . PLOS Вычислительная биология . 12 (4): e1004853. doi : 10.1371/JOURNAL.PCBI.1004853 . ISSN   1553-734X . ПМЦ   4824418 . ПМИД   27054759 . Викиданные   Q34521204 .

Внешние ссылки

• Модель Hypercycle Дж. Пэджетта, реализованная в трапезе