Døden muliggør kompleksitet i kemisk evolution

Simple systemer kan reproducere hurtigere end komplekse. Så, hvordan kan livets kompleksitet være opstået fra en simpel kemisk begyndelse? Startende med et simpelt system af selvreplikerende fibre, kemikere ved universitetet i Groningen har opdaget, at efter at have introduceret et molekyle, der angriber replikatorerne, de mere komplekse strukturer har en fordel. Dette system viser vejen frem for at belyse, hvordan livet kan stamme fra livløst stof. Resultaterne blev offentliggjort den 10. marts i tidsskriftet Angewandte Chemie .

Vejen til at besvare spørgsmålet om, hvordan livet opstod, bevogtes af Spiegelmans monster, opkaldt efter den amerikanske molekylærbiolog Sol Spiegelman, som for omkring 55 år siden beskrev replikatorernes tendens til at blive mindre, når de fik lov til at udvikle sig. "Kompleksitet er en ulempe under replikering, så hvordan udviklede livets kompleksitet sig?" spurgte Sijbren Otto, Professor i systemkemi ved universitetet i Groningen. Han har tidligere udviklet et selvreplikerende system, hvor selvreplikation producerer fibre fra simple byggesten og, nu, han har fundet en måde at slå monsteret på.

Død

"For at opnå dette, vi introducerede døden i vores system, " forklarer Otto. Hans fibre består af stablede ringe, der er selvsamlede af enkelte byggeklodser. Antallet af byggeklodser i en ring kan variere, men stakke indeholder altid ringe af samme størrelse. Otto og hans team justerede systemet på en sådan måde, at der blev oprettet ringe i to forskellige størrelser, indeholdende enten tre eller seks byggeklodser.

Under normale omstændigheder, fibre, der består af små ringe, vil vokse ud af fibrene med større ringe. "Imidlertid, da vi tilføjede en forbindelse, der bryder ringe inde i fibrene, vi fandt ud af, at de større ringe var mere modstandsdygtige. Det betyder, at de mere komplekse fibre vil dominere, på trods af at de mindre ringe replikerer hurtigere. Fibre, der er lavet af små ringe, bliver lettere "dræbt."

Eksperimenter

Otto erkender, at forskellen i kompleksitet mellem de to typer fibre er lille. "Vi fandt ud af, at fibrene fra de større ringe var bedre katalysatorer for benchmark-retro-aldol-reaktionen end de enklere fibre, der er lavet af ringe med tre byggesten. Men så igen, denne reaktion gavner ikke fibrene. "Imidlertid, den ekstra kompleksitet beskytter fibrene mod ødelæggelse, sandsynligvis ved at afskærme svovl-svovlbindinger, der forbinder byggestenene til ringe.

"Alt i alt, vi har nu vist, at det er muligt at slå Spiegelmans monster, " siger Otto. "Vi gjorde dette på en særlig måde, ved at indføre kemisk destruktion, men der kan være andre ruter. For os, det næste skridt er at finde ud af, hvor meget kompleksitet vi kan skabe på denne måde." Hans team arbejder nu på en måde at automatisere reaktionen på, som afhænger af en hårfin balance mellem replikations- og destruktionsprocesserne. "I øjeblikket, det har brug for konstant overvågning, og det begrænser den tid, vi kan køre det."

Varianter

Det nye system er det første af sin art og åbner en vej til mere kompleks kemisk udvikling. "For at opnå ægte darwinistisk udvikling, der fører til nye ting, vi får brug for mere komplekse systemer med mere end en byggesten, " siger Otto. Tricket vil være at designe et system, der giver mulighed for den rigtige mængde variation. "Når du har ubegrænset variation, systemet vil ikke gå nogen steder, det vil bare producere små mængder af alle slags varianter. "I modsætning hertil, hvis der er meget lidt variation, intet virkelig nyt vil dukke op.

Resultaterne, der blev præsenteret i det seneste papir viser, at ud fra simple forløbere, kompleksiteten kan øges i løbet af evolutionen. "Det betyder, at vi nu kan se en vej frem. Men rejsen til at producere kunstigt liv gennem kemisk evolution er stadig lang, siger Otto. Men han har slået monsteret, der bevogter vejen til hans destination.