在早期地球的原始湯中，生命開始變小。元素結(jié)合形成簡(jiǎn)單的碳基分子，這些分子是未來(lái)一切的先驅(qū)。但是有關(guān)下一步的爭(zhēng)論。

一個(gè)流行的假設(shè)認(rèn)為，核糖核酸(RNA)分子含有蛋白質(zhì)的遺傳藍(lán)圖，可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)，從而啟動(dòng)生命。然而，一些科學(xué)家駁斥了這一觀點(diǎn)，他說(shuō)，RNA是一個(gè)太大而復(fù)雜的分子，無(wú)法啟動(dòng)它。該組織表示，在構(gòu)建RNA等大分子之前，更簡(jiǎn)單的分子必須發(fā)展出代謝功能。這個(gè)想法恰當(dāng)?shù)孛麨?ldquo;新陳代謝第一”，伊利諾伊大學(xué)的新證據(jù)支持它。

“所有生物都有一種新陳代謝，一組維持生命的化學(xué)轉(zhuǎn)化，提供細(xì)胞功能所需的能量和物質(zhì)。這些代謝轉(zhuǎn)化被認(rèn)為是在生命的早期，在原始地球中發(fā)生的。有機(jī)體可能被取代化學(xué)反應(yīng)已經(jīng)在地球上發(fā)生，并通過(guò)酶活性的發(fā)展將它們內(nèi)化為細(xì)胞，“生物信息學(xué)家Gustavo Caetano-Anollés和我的作物科學(xué)系教授說(shuō)。

Caetano-Anollés和IbrahimKoç是該部門的訪問(wèn)學(xué)者，他通過(guò)研究代表生命領(lǐng)域的生物體中分子功能的演變，找到了“代謝優(yōu)先”假設(shè)的證據(jù)。對(duì)于249種生物，它們的基因組 - 或完整的基因組 - 可在可搜索的數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得。這種特殊資源(稱為基因本體論(GO)數(shù)據(jù)庫(kù))的獨(dú)特之處在于，對(duì)于每種基因產(chǎn)品- 蛋白質(zhì)或RNA分子 - 一組描述其功能的術(shù)語(yǔ)都與之相關(guān)。

“您可以采用代表生物體的整個(gè)基因組，如人類基因組，并通過(guò)其基因的功能集合對(duì)其進(jìn)行可視化。對(duì)這些'功能組'的研究告訴我們基因的作用，而不是關(guān)注它們的名稱和位置例如，我們可以找出基因產(chǎn)品具有哪種催化，識(shí)別或結(jié)合活性，這更加直觀，“Caetano-Anollés指出。“了解有機(jī)體的最佳方式是通過(guò)其功能。”

根據(jù)Caetano-Anollés的說(shuō)法，函數(shù)出現(xiàn)在基因組中的次數(shù)提供了歷史信息。因此，該團(tuán)隊(duì)采用GO術(shù)語(yǔ)描述每個(gè)生物體中的所有分子功能并計(jì)算它們。這個(gè)想法是，一種古老的功能，如新陳代謝的催化活性，很可能被所有生物共享，并且會(huì)被大量發(fā)現(xiàn)。另一方面，最近的功能發(fā)現(xiàn)在較低的數(shù)量和較小的生物子集中。

該團(tuán)隊(duì)利用這些信息和先進(jìn)的計(jì)算方法構(gòu)建了一棵樹，該樹追溯了分子功能隨時(shí)間推移的最可能的進(jìn)化路徑。在樹的根部，靠近它的根，是最古老的功能。最近的一次接近皇冠。

在樹的根部，對(duì)應(yīng)于地球上的生命起源，是與新陳代謝和結(jié)合有關(guān)的功能。“合乎邏輯的是，這兩種功能很早就開始了，因?yàn)榉肿邮紫刃枰ㄟ^(guò)新陳代謝產(chǎn)生能量，并且必須通過(guò)結(jié)合與其他分子相互作用，”Caetano-Anollés解釋道。

接下來(lái)的主要進(jìn)展是使大分子上升成為可能的功能，這可能是RNA進(jìn)入圖片的時(shí)候。接下來(lái)是將分子整合到細(xì)胞中的機(jī)制，隨后是功能的興起，允許細(xì)胞與其環(huán)境之間的通信。“最后，當(dāng)你走向樹冠時(shí)，你會(huì)開始看到與肌肉，皮膚或神經(jīng)系統(tǒng)等高度復(fù)雜過(guò)程相關(guān)的功能，”Caetano-Anolles說(shuō)。

這項(xiàng)研究不僅僅闡明了過(guò)去。隨著時(shí)間的推移了解這些分子功能的進(jìn)展可以幫助預(yù)測(cè)地球生命的發(fā)展方向。“人們認(rèn)為進(jìn)化是倒退，”Caetano-Anollés說(shuō)。“但我們可以利用我們的年表和方法來(lái)詢問(wèn)將來(lái)會(huì)產(chǎn)生什么新的分子功能。”

這項(xiàng)工作應(yīng)用于生物工程，這是一個(gè)利用生物信息和計(jì)算產(chǎn)生新分子的新興領(lǐng)域。Caetano-Anollés表示，工程化分子可以對(duì)抗疾病并改善日常生活質(zhì)量。“重新設(shè)計(jì)具有新穎和有用的分子功能的生物分子的最佳方法是從他們過(guò)去留下的線索中學(xué)習(xí)原理，”他說(shuō)。