University of Groningen
Enabling Darwinian evolution in chemical replicators
Mattia, Elio
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from
it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date:
2017
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Mattia, E. (2017). Enabling Darwinian evolution in chemical replicators. Rijksuniversiteit Groningen.
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
187
187
Ena
bl
ing
D
ar
w
ini
an e
vo
lu
tio
n i
n c
he
m
ic
al
re
pl
ic
at
or
s
SAMENVATTING
188
Sam
en
vat
tin
g
Zelf-replicerende molekulen hebben hoogstwaarschijnlijk een belangrijke rol gespeeldtijdens het ontstaan van het leven uit de zogenaamde oersoep.
In dit onderzoek is het mechanisme van het proces van zelf-replicatie in detail bestudeerd. De resultaten laten zien dat de zelf-replicerende molekulen in staat zijn om exponentieel te groeien. Dit is een belangrijke doorbraak. Nagenoeg alle zelf-replicerende molekulen die tot op heden zijn ontwikkeld zijn niet in staat gebleken om exponentieel te groeien, doordat ze na een ronde van replicatie aan elkaar gebonden blijven. De nieuwe replicatoren doen dit ook, maar in de vorm van fibertjes die door simpelweg te roeren in kleinere stukjes breken. Aangezien de replicatie aan het uiteinde van de fibertjes optreedt, leidt het breken van de fibertjes tot een exponentiële toename van het replicatieproces. Exponentiële groei van replicatoren is belangrijk, aangezien exponentieel groeiende replicatoren beter in staat zijn om te overleven tijdens Darwiniaanse evolutie.
De fibertjes kunnen ook worden afgebroken in kleinere molekulen, waarna het replicatie proces opnieuw kan beginnen. Dit proces is vergelijkbaar met het voortdurend ontstaan van nieuwe reproducerende bacteriële cellen, terwijl de bacteriën dood gaan of gedood worden. Het molekulaire oerleven was hoogstwaarschijnlijk het resultaat van herhaaldelijke pogingen tot replicatie in een omgeving waar de replicatoren regelmatig werden afgebroken, in een voortdurend proces of als gevolg van meerdere vernietigingsgolven. Na een aantal pogingen kan door replicatiefoutjes een replicator met een voordelige mutatie ontstaan. Dankzij deze mutatie kan de replicator de bedreigingen vanuit zijn omgeving beter weerstaan: Darwiniaanse evolutie van replicatoren is daarmee een feit. In dit onderzoek is de dynamiek in een systeem waarin replicatie en destructie gelijktijdig plaats vinden in detail bestudeerd in het laboratorium en aan de hand van computersimulaties. Op basis van deze studies kan nu in principe een experimenteel systeem opgezet worden waarin de replicatoren constant worden afgebroken en omgezet in bouwstenen waaruit zich weer nieuwe replicatoren kunnen vormen. Een ver uit evenwicht karakter, het gebruik van energie en de productie van entropie zijn essentieel voor de Darwiniaanse evolutie van replicatoren. De simulaties suggereren dat de koppeling van energie met een systeem van replicatoren dat ver uit evenwicht is wordt bevorderd door omstandigheden waaronder de replicatoren selectief worden afgebroken, en voldoende snel om een cyclus van replicatie en destructie te creëren.
Het onderzoek heeft zich daarna gericht op het ontwikkelen van replicatoren die een competitie met elkaar aangaan voor de bouwstenen waaruit ze zijn opgebouwd. Deze competitie leidt tot de vorming van replicatoren met gemengde bouwstenen. Replicatie van nucleïnezuren (DNA, RNA) is gebaseerd op informatie uit de volgorde van de individuele nucleïnezuren. In dit onderzoek zijn de manieren waarop informatie kan worden uitgewisseld in fibertjes van peptides in detail bestudeerd. De resultaten laten zien dat de uitwisseling van bouwstenen van één fibertje naar een ander aan het uiteinde hiervan plaatsvindt. Bouwstenen die zich binnenin een fibertje bevinden kunnen nauwelijks worden gebruikt tijdens de replicatie van andere fibertjes. Deze bouwstenen zijn beschermd tegen replicatie en de informatie die ze dragen kan amper worden uitgewisseld, tenzij de fibertjes in kleinere stukjes worden gebroken.
Hoewel in onze experimenten Darwiniaanse evolutie nog niet plaats kan vinden, hebben we in deze systemen al wel voor Darwinaanse evolutie belangrijke processen waargenomen: exponentiële groei van fibertjes, destructie van replicatoren en selectieve uitwisseling van bouwstenen.
