[论文解读] Molecular Imprinting: The missing piece in the puzzle of abiogenesis?

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

Origins and Evolution of Life参考文献 67被引用 5

一句话总结

本文提出了一种名为印迹介导模板化（IMT）的前生物机制，用于肽序列的复制，利用非晶态材料中的分子印迹技术，在现实的前生物条件下实现未活化的氨基酸的序列特异性、对映选择性聚合。与RNA优先模型不同，IMT通过利用已知现象——印迹导向催化和干湿循环——避免了不切实际的化学反应，为同手性、遗传信息传递以及代谢复杂性的出现提供了可信路径，且无需预先存在的酶或核酸。

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.

研究动机与目标

• 解决长期以来关于在无需不切实际的化学反应或预先存在的酶的情况下，遗传信息如何在前生物环境中出现的挑战。
• 提出一种机制——印迹介导模板化（IMT）——利用非晶态材料中的分子印迹技术，实现肽的序列特异性复制。
• 通过基于实验观察到的现象，解决自生起源模型中的关键问题，如同手性的起源以及从代谢到遗传的过渡。
• 通过与已知的前生物化学相容，提供RNA优先或代谢优先模型的可信替代方案，包括外消旋氨基酸的合成和未活化单体的聚合。
• 通过基于表面的、产物导向的催化，提出从简单肽复制向复杂、可进化代谢与遗传系统演化的路径。

提出的方法

• 利用非晶态材料（如二氧化硅、聚合物）中的分子印迹技术，创建与特定肽序列互补的稳定、选择性结合位点。
• 在多孔、表面固定的材料上进行干湿循环，以浓缩稀释的前生物混合物，并驱动脱水肽键形成。
• 依赖产物导向催化：肽产物本身作为模板，形成可选择性结合并促进相同单体聚合的印迹。
• 利用印迹位点的高特异性和稳定性，实现对映选择性，通过对称性破缺和代谢特化，偏好同手性肽。
• 将该过程建模为自维持循环，其中印迹催化模板分子的新副本形成，从而实现复制和达尔文式进化。
• 将IMT与经典的核酸模板化进行比较，强调其对单体复杂性、活化和同手性的要求更低。

实验结果

研究问题

• RQ1 非晶态材料中的分子印迹能否作为前生物环境中序列特异性肽聚合物复制的可行机制？
• RQ2 印迹介导模板化如何克服RNA优先和代谢优先模型在自生起源中的局限性？
• RQ3 IMT能否在无需预先存在的手性选择或同手性前体的情况下解释同手性的起源？
• RQ4 在何种物理化学条件下，IMT可在前生物环境中支持累积性进化变化？
• RQ5 与基于经典核酸的模板化相比，IMT在保真度、效率以及与前生物化学的相容性方面表现如何？

主要发现

• 分子印迹可实现对肽单体的选择性、对映选择性和序列特异性结合与催化，且无需预先活化的氨基酸或同手性前体。
• 印迹介导模板化可在稀释的外消旋氨基酸混合物上运行，与实验观察到的由大气气体合成氨基酸的前生物过程一致。
• 在多孔非晶态表面上进行的干湿循环可促进反应物的浓缩，并实现未活化氨基酸向肽的聚合。
• 该机制通过实现足够保真度的复制，支持达尔文式进化，即使复制过程不完美，也能实现累积选择。
• IMT为蛋白质样功能复杂性的出现提供了可信路径，并可作为向后期核酸代谢出现的桥梁。
• 一个五肽（如甲硫氨酰-脑啡肽）的信息含量与一个10对碱基的DNA双链体相当，但其质量比低11:1，表明其在前生物环境中更具可行性。