化学与囊泡动力学相结合

本评论的目的是提供一个全球视野，即生物现象学的两个基本方面（组织和进化方面）如何通过益生元过渡的一般方案，将“原始细胞”放在最中心，如同生物发生过程的主轴（见图1）。此外，我们将捍卫以下观点：为了重建这一过程，应该采用严格的“自下而上”方法，从生物分子的化学前体开始，而不是使用功能齐全的生物分子。而生物聚合物（DNA，RNA，蛋白质）或细胞提取物在不同组成的自组装囊泡中的包封[37-39]生物化学可以在强烈简化的隔室内进行，这是一个重要的原理证明，这些实验很少告诉我们实际的起源过程。为了推动生命起源领域必须解决的一个主要挑战是将简单化学与益生元囊泡动力学联系起来：化学反应为内源性合成提供动力，囊泡为合成物的功能整合提供了足够的支撑。我们将简要介绍下面的功能集成问题，但要强调的主要观点是，无论是反应过程变为原始代谢还是囊泡成为原始细胞，它们的相互，动态参与都可能是早期的，不可避免的要求[40]。

正如Szostak [41]也指出的那样，我们推迟化学封装系统出现的时间越长，分区化问题就越难以解决。事实上，如果反应网络可以在无室无法的情况下发展它们的催化效率，它们最终封装在脂质囊泡中很可能会使它们自我窒息，仅仅因为它们在营养物质的（被动）可及性方面运行得太快。内部环境[42]。渗透不平衡的管理将是另一个明显的困难，如果初期反应网络突然被纳入半透膜内[43]。由于这些原因，早期的“共同进化”情景，其中膜和内部化学物质“携手并进”，彼此紧密相连和支持，更有意义（另见[44]）。因此，我们的第一个必然结果表达了对该领域的挑战：

挑战1：将化学与囊泡动力学相结合。应特别努力发现简单的反应网络，其产物包括两亲物或表面活性剂分子，可以通过预先存在的囊泡自发吸收，改变它们的基本性质（例如，它们的稳定性，膜的渗透性/流动性）并取代它们因此，从它们的初级准平衡状态（例如，诱导它们的增长和潜在的再生产）。反过来，囊泡动力学应证明支持 - 或至少与 - 化学相容。

细胞生理学向我们表明，内源性合成是考虑在最基本的生物学意义上起作用的分子组分的必要条件：即，它所属的（原代谢）组织是有功能的。根据这种组织概念，[45,46]更广泛地论证了这一点。，一个组件是有效的，因为它以特定的，独特的方式为远程平衡系统的整体维护做出贡献。因此，单独采用的分子不应归因于一种功能（然而，诱惑的一种可能是将其归于一种功能）。自主功能（与功能的工程概念正交 - 以某种方式与外部人类目标相关联）应该被理解为在动态，自我维持/自我生成的背景下建立和表征的关系属性。系统，其中多种组件和交互过程汇集在一起。事实上，最有可能的是，在具有功能部件的最基本系统的构成中涉及几种不同类型的部件/过程（在这种情况下，自主意识）。确定这些益生元成分/过程的最小数量和特定性质（即，功能性出现所需的“不可减少的核心”）仍然是一个开放的经验问题[46]。人们需要尝试不同的前体组合，参与各种反应和自组装过程，并研究它们的相互兼容性和整体整合动力学。我们将此称为益生元环境中最小功能整合的问题：即，确定最简单但同时又足够稳健的实验条件的探索 - 可以开发具有自主功能组件的系统。可以说，这可能是生命起源领域在不久的将来应该解决的最紧迫的问题（也可能与Sutherland [47]在最近的一次评论中所称的第一个'主要系统创新'有关）。

幸运的是，区域化学在耦合不同类型的过程的可能性方面非常丰富，因此，其仔细的探索必将引导我们走向适当的原细胞和原代谢系统（'a-to-b'过渡到图1）。除了可以在内部水池中发生的直接反应偶联和负反馈环和正反馈环（自催化循环）之外，封闭的脂质双分子层的存在强烈地限制了所涉及的各种可溶物质的自由扩散，允许前体的选择性通过并且在有限区域排除水，其中提供了替代反应域（特别是对于疏水物种的相互作用，或用于产生水的反应）。近年来，越来越多的证据支持这些自组装超分子结构作为反应器启动子和调节剂可能具有的各种潜在功能[48-50]，即超出其传统上所定义的作用，即将浓度保持在临界阈值以上的选择性渗透外壳。例如，人们可以提到它们对各种反应过程的催化作用（如肽的形成 - [51,52]），或它们在化学发生条件下可能引起的动态变化（例如，它们的生成能力）生长期间的pH梯度[53]或它们可能通过体积变化诱导内部分子种类的“渗透耦合” [54]。

在任何情况下，所有这些预测或假设的功能只有在泡囊隔室有效地促进内部化学作用的情况下才会变为真实，这反过来又对隔室产生增强作用（其动态稳健性和/或其生长和繁殖能力）。 ）。在第一个原始细胞情景中实现的分子特异性和功能整合的程度可能是适度的，但重要的是动态控制和空间控制机制从一开始就包含在方程中，以便它们可以在它们的相互补充。发展。有关如何实现这一点的有趣的自下而上的合成生物学示例，请参见[55]。

挑战2：找到最小功能整合的条件和机制。应该推进针对特定实验条件的集中搜索以及导致最小功能系统的一组分子相互作用机制（物理化学偶联）。本评论中提出的原始细胞情景明确表明需要至少结合动能和空间控制机制以实现这一目标 - 这肯定是一个重大突破，即使这些初始功能系统的稳健性相对证明关于现存细胞的适度。

只有通过时间和选择压力，这些初始基本功能才能变得更精细和分子间特异，从而导致更强的功能整合模式。但是，为了走这条路，自然选择（NS）和进化动力学也必须出现。显然，假设目前负责细胞内物质转运或能量转导的精细分子机制（例如，ATP合成酶），即使它们构成所有生命领域的共同特征，也是不合理的[7]，可能存在于生物发生的第一阶段。毫无疑问，这种复杂的膜机制是后来者 - 高度优化的进化产物。然而，对其出现的任何合理的进化解释应该从更简单的脂质区室开始，并且嵌入其中的效率较低的前体（转运/转导）机制。

在不同囊泡群体中进行的竞争选择实验[33-35]已经表明，在大分子结构（如蛋白质或核酸）控制代谢动力学之前很久，这个全球集体水平的相互作用可能与非常早期阶段高度相关。事实上，尽管实验研究原始细胞及其进化能力的主流方法是采用“半合成”方法（将DNA或DNA聚合物群体封装在脂质区室[56-58]或液滴[59]内）），我们将在这里提出一个更严格的“自下而上”策略来面对这个问题。可以说，一切都必须“在同一个包中”：即，必须进行深刻的概念转换，以解释自然选择的起源和正确的达尔文进化（如[60]中更详细的解释）。而不是仅仅使用区室化作为分离核酸种群的方法（目的是避免寄生虫等问题[61]），这里的想法是，集成的原始单元构成了从一开始就进化的实际变化单位。因此，应该设想囊泡/原始细胞发育的各个阶段与所涉及群体的进化潜力的差异密切相关，如图1中示意性所示。。换句话说，生物现象的组织和进化维度必须很早就开始展开和交织，相互依赖，在这种情况下，复杂的生物聚合物将由这些“原生物”产生 - 并在其中加入 - 后来。这粗略地打开（或重新打开）进化过程何时应被称为达尔文（Darwinian）的问题（即，当NS实际上作为一种运作机制出现时），但我们认为辩论应该通过对'pre'的充分描述来进行。 - 达尔文的竞争/选择性动态，这在很大程度上尚未开发。