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新研究通过分子功能揭示了地球上的生命起源

2019-06-21 11:35:32 • 来源：

在早期地球的原始汤中，生命开始变小。元素结合形成简单的碳基分子，这些分子是未来一切的先驱。但是有关下一步的争论。

新研究通过分子功能揭示了地球上的生命起源

一个流行的假设认为，核糖核酸(RNA)分子含有蛋白质的遗传蓝图，可以进行简单的化学反应，从而启动生命。然而，一些科学家驳斥了这一观点，他说，RNA是一个太大而复杂的分子，无法启动它。该组织表示，在构建RNA等大分子之前，更简单的分子必须发展出代谢功能。这个想法恰当地命名为“新陈代谢第一”，伊利诺伊大学的新证据支持它。

“所有生物都有一种新陈代谢，一组维持生命的化学转化，提供细胞功能所需的能量和物质。这些代谢转化被认为是在生命的早期，在原始地球中发生的。有机体可能被取代化学反应已经在地球上发生，并通过酶活性的发展将它们内化为细胞，“生物信息学家Gustavo Caetano-Anollés和我的作物科学系教授说。

Caetano-Anollés和IbrahimKoç是该部门的访问学者，他通过研究代表生命领域的生物体中分子功能的演变，找到了“代谢优先”假设的证据。对于249种生物，它们的基因组 - 或完整的基因组 - 可在可搜索的数据库中获得。这种特殊资源(称为基因本体论(GO)数据库)的独特之处在于，对于每种基因产品- 蛋白质或RNA分子 - 一组描述其功能的术语都与之相关。

“您可以采用代表生物体的整个基因组，如人类基因组，并通过其基因的功能集合对其进行可视化。对这些'功能组'的研究告诉我们基因的作用，而不是关注它们的名称和位置例如，我们可以找出基因产品具有哪种催化，识别或结合活性，这更加直观，“Caetano-Anollés指出。“了解有机体的最佳方式是通过其功能。”

根据Caetano-Anollés的说法，函数出现在基因组中的次数提供了历史信息。因此，该团队采用GO术语描述每个生物体中的所有分子功能并计算它们。这个想法是，一种古老的功能，如新陈代谢的催化活性，很可能被所有生物共享，并且会被大量发现。另一方面，最近的功能发现在较低的数量和较小的生物子集中。

该团队利用这些信息和先进的计算方法构建了一棵树，该树追溯了分子功能随时间推移的最可能的进化路径。在树的根部，靠近它的根，是最古老的功能。最近的一次接近皇冠。

在树的根部，对应于地球上的生命起源，是与新陈代谢和结合有关的功能。“合乎逻辑的是，这两种功能很早就开始了，因为分子首先需要通过新陈代谢产生能量，并且必须通过结合与其他分子相互作用，”Caetano-Anollés解释道。

接下来的主要进展是使大分子上升成为可能的功能，这可能是RNA进入图片的时候。接下来是将分子整合到细胞中的机制，随后是功能的兴起，允许细胞与其环境之间的通信。“最后，当你走向树冠时，你会开始看到与肌肉，皮肤或神经系统等高度复杂过程相关的功能，”Caetano-Anolles说。

这项研究不仅仅阐明了过去。随着时间的推移了解这些分子功能的进展可以帮助预测地球生命的发展方向。“人们认为进化是倒退，”Caetano-Anollés说。“但我们可以利用我们的年表和方法来询问将来会产生什么新的分子功能。”

这项工作应用于生物工程，这是一个利用生物信息和计算产生新分子的新兴领域。Caetano-Anollés表示，工程化分子可以对抗疾病并改善日常生活质量。“重新设计具有新颖和有用的分子功能的生物分子的最佳方法是从他们过去留下的线索中学习原理，”他说。

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