[논문 리뷰] Molecular Imprinting: The missing piece in the puzzle of abiogenesis?

K. Eric Drexler|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 18.

Origins and Evolution of Life참고 문헌 67인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 이물질에 의한 형상 조절을 통한 템플릿화(IMT)를 고전적인 생물학적 조건에서 발생할 수 있는 전생물적 메커니즘으로 제안한다. 이는 비정질 물질 내 분자 인장 현상을 이용해 활성화되지 않은 아미노산의 순서 특이적, 입체화학적 선택성 있는 중합을 가능하게 하며, 현실적인 전생물 조건에서 작용한다. RNA 우선 모델과는 달리, IMT는 알려진 현상—인장 유도 촉매 작용과 수분-건조 순환—을 활용함으로써 비현실적인 화학 반응을 피하며, 기존 효소나 핵산이 존재하지 않더라도 동일한 수준의 고순도 입체화학, 유전 정보 전달, 대사 복잡성의 기원을 설명할 수 있는 타당한 길을 제시한다.

ABSTRACT

In a neglected 2005 paper, Nobel Laureate Paul Lauterbur proposed that molecular imprinting in amorphous materials -- a phenomenon with an extensive experimental literature -- played a key role in abiogenesis. The present paper builds on Lauterbur's idea to propose imprint-mediated templating (IMT), a mechanism for prebiotic peptide replication that could potentially avoid a range of difficulties arising in classic gene-first and metabolism-first models of abiogenesis. Unlike models that propose prebiotic RNA synthesis, activation, and polymerization based on unknown chemistries, peptide/IMT models are compatible with demonstrably realistic prebiotic chemistries: synthesis of dilute mixtures of racemic amino acids from atmospheric gases, and polymerization of unactivated amino acids on hot, intermittently-wetted surfaces. Starting from a peptide/IMT-based genetics, plausible processes could support the elaboration of genetic and metabolic complexity in an early-Earth environment, both explaining the emergence of homochirality and providing a potential bridge to nucleic acid metabolism. Peptide/IMT models suggest directions for both theoretical and experimental inquiry.

연구 동기 및 목표

• 기존 효소나 불현실한 화학 반응이 필요 없이 전생물 환경에서 어떻게 유전 정보가 기원했는지를 해결하는 데 목적이 있다.
• 분자 인장 현상을 이용한 비정질 물질에서의 템플릿화를 통해 특정 펩타이드 서열의 순서 특이적 복제를 가능하게 하는 메커니즘—인장 유도 템플릿화(IMT)—를 제안하는 데 목적이 있다.
• 실험적으로 관찰된 현상에 기반하여, 동일한 수준의 입체화학 기원과 대사에서 유전으로의 전이 문제를 해결하는 데 목적이 있다.
• 기존의 RNA 우선 또는 대사 우선 모델에 대한 타당한 대안을 제공하기 위해, 알려진 전생물 화학과의 호환성을 입증함으로써, 랙믹 아미노산 합성과 활성화되지 않은 단량체의 중합을 포함한 화학 반응에 적합함을 보여주는 데 목적이 있다.
• 표면 기반의 제품 유도 촉매 작용을 통해 단순한 펩타이드 복제에서 복잡하고 진화하는 대사 및 유전 체계로의 전환 경로를 제안하는 데 목적이 있다.

제안 방법

• 특정 펩타이드 서열과 상互补적인 안정적이고 선택적인 결합 부위를 형성하기 위해 비정질 물질(예: 실리카, 고분자) 내 분자 인장 현상을 활용한다.
• 다공성이고 표면에 고정된 물질에서 수분-건조 순환을 통해 희석된 전생물 혼합물을 농축하고 탈수 반응을 유도하여 펩타이드 결합 형성을 촉진한다.
• 제품 유도 촉매 작용에 의존한다: 펩타이드 생성물 자체가 새로운 인장 구조를 형성하여 동일한 단량체의 선택적 결합과 중합을 촉진한다.
• 인장 부위의 높은 특이성과 안정성을 활용해 입체화학적 선택성을 실현하며, 대칭 붕괴와 대사 특화를 통해 동일한 입체화학의 펩타이드를 선호한다.
• 인장 부위가 템플릿 분자의 새로운 복제를 촉매함으로써 자가유지 순환 구조를 형성하며, 이는 복제와 다윈 진화를 가능하게 한다.
• 표준 핵산 기반 템플릿화와 비교하여, 단량체의 복잡성, 활성화, 입체화학적 순도에 대한 요구 수준이 낮음을 강조한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비정질 물질 내 분자 인장 현상이 순서 특이적 펩타이드 중합체의 전생물적 복제에 실현 가능한 메커니즘으로 작용할 수 있는가?
• RQ2 인장 유도 템플릿화(IMT)는 전생물 기원 모델에서 RNA 우선 또는 대사 우선 모델의 한계를 어떻게 극복할 수 있는가?
• RQ3 IMT는 기존의 입체화학적 선택 또는 동일한 입체화학의 전구체가 존재하지 않더라도 입체화학의 기원을 설명할 수 있는가?
• RQ4 IMT가 전생물 환경에서 누적적인 진화적 변화를 지원할 수 있는 물리화학적 조건은 무엇인가?
• RQ5 IMT는 표준 핵산 기반 템플릿화와 비교할 때 정확도, 효율성, 전생물 화학과의 호환성 측면에서 어떻게 다른가?

주요 결과

• 분자 인장 현상은 활성화되지 않은 아미노산이나 동일한 입체화학의 전구체가 필요 없이도 순서 특이적, 입체화학적 선택성 있는 단량체의 결합과 촉매 작용을 가능하게 한다.
• 인장 유도 템플릿화는 랙믹 아미노산 혼합물에서도 작용할 수 있으며, 대기 가스에서의 실험적으로 관찰된 전생물적 아미노산 합성과 일치한다.
• 다공성 비정질 표면에서의 수분-건조 순환은 반응물의 농축과 활성화되지 않은 아미노산의 펩타이드 중합을 촉진한다.
• 복제의 정확도가 충분히 높아 누적 선택이 가능하므로, 불완전한 복제조차도 다윈 진화를 가능하게 하는 메커니즘을 제공한다.
• IMT는 단백질 유사 기능적 복잡성으로의 전환 경로를 타당하게 제공하며, 이후 핵산 대사의 기원으로 이어질 수 있는 다리 역할을 할 수 있다.
• 5개 아미노산으로 구성된 펩타이드(예: 메티오엔kephalin)의 정보량은 10개 염기쌍으로 이루어진 DNA 이중체와 유사하지만, 질량 비율은 11:1로 훨씬 낮아 전생물 조건에서의 실현 가능성은 훨씬 높다.