Biological Polymers: Evolution, Function, and Significance

Kavita Matange

doi:10.1021/acs.accounts.4c00546

Biological Polymers: Evolution, Function, and Significance

2025-02-05

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DOI：10.1021/acs.accounts.4c00546

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对生物聚合物及其进化起源的全面描述将有助于我们理解生物化学、生物学、生命起源以及地球外生命的迹象。虽然生物聚合物序列通过已知的达尔文过程进化，但多肽、多核苷酸和聚糖骨架的起源尚不确定。我们通过两个问题来阐述这一主题：(i) 生物聚合物骨架的特征是否表明其进化起源？(ii) 是否存在合理的机制模型来描述这种前达尔文进化过程？为解答这些问题，我们建立了区分由进化机制产生的化学物种与由非进化物理、化学或地质过程形成的物种的标准。我们汇总并评估所有生物聚合物骨架共有的特性，而非孤立地研究某一类型。多肽、多核苷酸和聚糖骨架在含水介质中处于动力学陷阱状态且热力学不稳定。每种生物聚合物能形成具有多样功能的复杂组装体，这一现象我们称之为多功能化。每种骨架在经历细微化学变化（如核糖的还原或聚合葡萄糖的连接位点或立体化学的改变）时，结构和功能会发生变化，这一现象我们称之为功能切换。生物聚合物表现出同源和异源互补性，从而实现对结构和功能的原子级控制。生物聚合物骨架能进入顽固状态，其中组装调节水解的动力学和热力学。生物聚合物是突现的；生物构建模块在聚合时其性质发生显著变化。在细胞中，生物聚合物构成互利网络；一个细胞就是一个分子亚马逊雨林。我们得出结论：生物聚合物骨架表现出进化的特征。化学、物理或地质过程均无法产生符合观测结果的分子。我们面临一个悖论：达尔文进化依赖已进化的骨架，却无法改变生物聚合物骨架。这一达尔文约束由以下观察结果强调：在生命之树上，核糖体无处不在，且始终由RNA和蛋白质组成。我们的数据表明， hadean地球上的化学物种经历了部分由水解应力驱动的非达尔文协同进化，最终形成了生物聚合物骨架。我们主张：高度进化的生物聚合物骨架促进了从化学进化到达尔文进化的无缝过渡。该模型挑战了传统观点，即骨架是直接前生物合成的产物。在传统模型中，生物聚合物骨架保留了前生物化学的遗迹。然而，我们的发现与以下模型一致：化学物种经历了迭代和递归的塑造、选择和功能转用。该模型支持Orgel的黯淡预测，即现代生物化学已摒弃前生物化学的遗迹。但仍有希望。我们相信，随着化学科学和进化理论的挑战性与激动人心的融合，对生物聚合物起源的理解将取得进展。这些努力可以提供对前达尔文机制的新视角，并加深我们对进化和化学科学的理解。我们对化学进化的工作定义是：连续的化学变化，探索新的化学空间并避免平衡。与我们的模型一致，我们在经历湿干循环的复杂混合物中观察到化学进化，这确实表现出连续的化学变化和新的化学空间的探索，同时避免了平衡。

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PEPTIDE-BOND HYDROLYSIS

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BINDING-PROTEINS

FREE-ENERGIES

RNA-BINDING

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MOLECULES

KINETICS

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