Protobiologia

A vida é aquilo que se replica e evolui, mas não há consenso sobre como a vida surgiu. Defendemos uma visão de protobiologia de sistemas, na qual os primeiros replicadores eram conjuntos de anfífilos espontaneamente acumulados, heterogêneos e majoritariamente não canônicos. Essa visão é sustentada por simulações rigorosas de cinética química do modelo de domínio de replicação por autocatálise graduada (GARD), baseado na noção de que a replicação ou reprodução de informações composicionais antecedeu a da informação sequencial. O GARD revela o surgimento de conjuntos privilegiados fora do equilíbrio (composomas), que retratam crescimento homeostático (de preservação de concentração) baseado em catálise. Tal processo, juntamente com fissão ocasional de conjuntos, encarna reprodução semelhante à celular. A evolução pré-RNA do GARD é evidenciada na seleção de diferentes composomas dentro de uma paisagem de aptidão esparsa, em resposta a mudanças químicas ambientais. Essas observações refutam alegações de que conjuntos do GARD (ou outras redes mutuamente catalíticas no cenário do metabolismo primeiro) não podem evoluir. Os composomas representam tanto um genótipo quanto um fenótipo selecionável, antecendendo a biologia atual na qual os dois estão majoritariamente separados. Análises detalhadas do GARD mostram transições semelhantes a atratores de conjuntos aleatórios para composomas auto-organizados, com mudança negativa de entropia, estabelecendo assim os composomas como sistemas dissipativos — marcas da vida. Mostramos uma nova versão preliminar do nosso modelo, o GARD metabólico (M-GARD), no qual modificações covalentes lipídicas são orquestradas por catalisadores lipídicos não enzimáticos, eles próprios reproduzidos composicionalmente. O M-GARD preenche a lacuna da falta de metabolismo verdadeiro no GARD básico e é recompensadoramente apoiado por uma instância experimental publicada de uma rede mutuamente catalítica baseada em lipídios. Antecipando avanços de longo alcance da dinâmica molecular no futuro próximo, o M-GARD está programado para representar quantitativamente protocélulas elaboradas, com reprodução orquestrada tanto da bicamada lipídica quanto do conteúdo luminal. Finalmente, uma análise do GARD em um contexto de planeta inteiro oferece o potencial de estimar a probabilidade do surgimento da vida. A escrutinização do GARD revitalizada apresentada nesta revisão aumenta a validade dos conjuntos autocatalíticos como um cenário de evolução inicial legítimo e fornece infraestrutura essencial para uma mudança de paradigma em direção a uma visão de protobiologia de sistemas sobre a origem da vida.

@article{lancet2018systems,
    author = "Lancet, Doron and Zidovetzki, Raphael and Markovitch, Omer",
    title = "Systems protobiology: origin of life in lipid catalytic networks",
    year = "2018",
    journal = "Journal of The Royal Society Interface",
    abstract = "A vida é aquilo que se replica e evolui, mas não há consenso sobre como a vida surgiu. Defendemos uma visão de protobiologia de sistemas, na qual os primeiros replicadores eram conjuntos de anfífilos espontaneamente acumulados, heterogêneos e majoritariamente não canônicos. Essa visão é sustentada por simulações rigorosas de cinética química do modelo de domínio de replicação por autocatálise graduada (GARD), baseado na noção de que a replicação ou reprodução de informações composicionais antecedeu a da informação sequencial. O GARD revela o surgimento de conjuntos privilegiados fora do equilíbrio (composomas), que retratam crescimento homeostático (de preservação de concentração) baseado em catálise. Tal processo, juntamente com fissão ocasional de conjuntos, encarna reprodução semelhante à celular. A evolução pré-RNA do GARD é evidenciada na seleção de diferentes composomas dentro de uma paisagem de aptidão esparsa, em resposta a mudanças químicas ambientais. Essas observações refutam alegações de que conjuntos do GARD (ou outras redes mutuamente catalíticas no cenário do metabolismo primeiro) não podem evoluir. Os composomas representam tanto um genótipo quanto um fenótipo selecionável, antecendendo a biologia atual na qual os dois estão majoritariamente separados. Análises detalhadas do GARD mostram transições semelhantes a atratores de conjuntos aleatórios para composomas auto-organizados, com mudança negativa de entropia, estabelecendo assim os composomas como sistemas dissipativos — marcas da vida. Mostramos uma nova versão preliminar do nosso modelo, o GARD metabólico (M-GARD), no qual modificações covalentes lipídicas são orquestradas por catalisadores lipídicos não enzimáticos, eles próprios reproduzidos composicionalmente. O M-GARD preenche a lacuna da falta de metabolismo verdadeiro no GARD básico e é recompensadoramente apoiado por uma instância experimental publicada de uma rede mutuamente catalítica baseada em lipídios. Antecipando avanços de longo alcance da dinâmica molecular no futuro próximo, o M-GARD está programado para representar quantitativamente protocélulas elaboradas, com reprodução orquestrada tanto da bicamada lipídica quanto do conteúdo luminal. Finalmente, uma análise do GARD em um contexto de planeta inteiro oferece o potencial de estimar a probabilidade do surgimento da vida. A escrutinização do GARD revitalizada apresentada nesta revisão aumenta a validade dos conjuntos autocatalíticos como um cenário de evolução inicial legítimo e fornece infraestrutura essencial para uma mudança de paradigma em direção a uma visão de protobiologia de sistemas sobre a origem da vida.",
    url = "https://doi.org/10.1098/rsif.2018.0159",
    doi = "10.1098/rsif.2018.0159",
    number = "144",
    volume = "15"
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