發(fā)布時間：2020-10-26 03:22

　　 生命如何起源是自然科學(xué)中最重要且最具挑戰(zhàn)的問題之一。眾所周知,磷是生命不可或缺的元素�；诹讓ΜF(xiàn)代生命的重要性,人們普遍認(rèn)為磷在生命起源中起到重要作用。然而,最近Goldford等人構(gòu)建了一個無磷參與的,具有前生源性質(zhì)的代謝網(wǎng)絡(luò),并以此為依據(jù)提出一個全新的觀點(diǎn):原始新陳代謝可以在沒有磷的情況下起源。該觀點(diǎn)促使本研究重新審視磷酸鹽在代謝起源中的作用。本研究在前期研究的基礎(chǔ)上,將全面探討磷酸鹽在代謝網(wǎng)絡(luò)起源中的作用,深化對生命起源的認(rèn)識。1.原始代謝網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建本研究從最新的KEGG代謝反應(yīng)數(shù)據(jù)出發(fā),采用代謝網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張模擬方法,構(gòu)建了不含磷酸鹽的代謝網(wǎng)絡(luò),并通過與Goldford等構(gòu)建的無磷代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行比較,證明了數(shù)據(jù)以及方法的可靠性�；谏鲜鰯�(shù)據(jù)與方法,本課題以多種前生源磷酸鹽作為種子,構(gòu)建含有前生源磷酸鹽的原始代謝網(wǎng)絡(luò)。通過分析磷酸鹽在代謝網(wǎng)絡(luò)起源中的作用,發(fā)現(xiàn)磷依賴代謝網(wǎng)絡(luò)對不同前生源磷酸鹽具有魯棒性。2.磷依賴代謝網(wǎng)絡(luò)原始特征分析本研究采用生物信息學(xué)和化學(xué)信息學(xué)方法,從以下三個方面驗證磷依賴代謝網(wǎng)絡(luò)是否具有前生源代謝網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)。第一,依據(jù)生物共同祖先(Last Universal Common Ancestors,LUCA),所使用的酶的功能和結(jié)構(gòu)特征,分析發(fā)現(xiàn)磷依賴網(wǎng)絡(luò)包含了原始生命LUCA的部分代謝反應(yīng);第二,使用本實驗室建立的基于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的分子鐘推測,發(fā)現(xiàn)磷依賴網(wǎng)絡(luò)和無磷網(wǎng)絡(luò)起源于同一時期;第三,通過分析磷依賴代謝網(wǎng)絡(luò)代謝化合物的化學(xué)性質(zhì),發(fā)現(xiàn)磷依賴代謝網(wǎng)絡(luò)代謝中的代謝物較現(xiàn)代代謝物更易溶于水、極性更好、分子質(zhì)量更小,符合早起源代謝物分子特性。結(jié)合以上分析,認(rèn)為磷依賴代謝網(wǎng)絡(luò)具有前生源代謝網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)。3.磷對原始物質(zhì)代謝的作用通過KEGG代謝途徑的富集分析,本課題對磷在原始代謝網(wǎng)絡(luò)中的作用進(jìn)行了深入探究,并發(fā)現(xiàn)磷促進(jìn)了多種碳代謝途徑以及碳水化合物代謝。這些代謝途徑對于維持生命的能量代謝以及RNA世界的產(chǎn)生極為重要。此外,磷的存在還促進(jìn)了復(fù)雜代謝物的產(chǎn)生及代謝網(wǎng)絡(luò)中代謝物多樣性的增加。4.磷對代謝網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張的熱力學(xué)影響本研究利用熱力學(xué)約束的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張模擬算法對前生源磷酸鹽對代謝網(wǎng)絡(luò)的熱力學(xué)影響進(jìn)行了研究。通常認(rèn)為,糖酵解途徑可能是原始生命重要能量來源,因此本研究以糖酵解途徑中的高能磷酸化中間產(chǎn)物甘油醛-3磷酸鹽、甘油酸2-磷酸鹽、甘油酸3-磷酸鹽、葡萄糖6-磷酸鹽、果糖6-磷酸鹽、果糖1,6-二磷酸鹽和磷酸烯醇丙酮酸等為例進(jìn)行模擬。結(jié)果顯示這些產(chǎn)物均可以有效的降低熱力學(xué)瓶頸從而促進(jìn)代謝網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)張。綜上所述,本研究通過采用前生源磷酸鹽進(jìn)行了原始代謝網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張的模擬,結(jié)果顯示依賴磷的代謝反應(yīng)在生命起源的早期階段就已經(jīng)出現(xiàn),磷酸鹽在物質(zhì)和能量代謝層面均具有促進(jìn)代謝網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張的巨大潛力,初步證明了磷酸鹽在代謝網(wǎng)絡(luò)的起源中的重要貢獻(xiàn)。本研究所得結(jié)果將深化對生命起源的認(rèn)識,具有重要的基礎(chǔ)科學(xué)意義。
【學(xué)位單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：Q493
【部分圖文】：

華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 2019 屆博士研究生學(xué)位（畢業(yè)）論文環(huán)境中，中間產(chǎn)物產(chǎn)生的速率以及磷酸化中間產(chǎn)物的穩(wěn)定性都得到了提高。Ralser 等認(rèn)為擬海洋環(huán)境的這種催化能力是由其含有的高濃度金屬離子導(dǎo)致的，且這些反應(yīng)的發(fā)生順序可能受到原始海洋還原性環(huán)境中豐富的二價鐵離子的約束（Keller et al 2014）。因此，即使礦物無法起到催化或是保證反應(yīng)有序發(fā)生的作用，原始海洋中的金屬環(huán)境也可以促進(jìn)新陳代謝的起源。

程（Yamagata et al 1991）。反應(yīng)在如圖 1.2 的裝置中進(jìn)行，首先通過將玄武巖、磷酸鈣和磷礦巖的混合粉末加熱至融化模擬火山的巖漿環(huán)境。然后在管道的一端加入水來模擬火山氣體（主要是水蒸氣）傳輸揮發(fā)性氣體的過程，管道的另一端收集實驗產(chǎn)生的氣體經(jīng)冷凝器（2℃）冷凝后的樣品。分析樣品成分發(fā)現(xiàn)該實驗產(chǎn)生了可溶于水的多聚磷酸鹽。通常認(rèn)為原始大氣由地球內(nèi)部經(jīng)高溫加熱形成的各種揮發(fā)氣體組成，Yamagata 通過該實驗驗證了早期地球頻繁的火山活動可以為原始大氣提供大量磷酸鹽的可能性。

圖 1.3 不同代謝物對生態(tài)系統(tǒng)層面代謝網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的影響（Raymond and Segrè 2006）每個點(diǎn)代表了兩個連續(xù)生成的網(wǎng)絡(luò)。點(diǎn)的橫坐標(biāo)值表示的是第一個的網(wǎng)路的大小，該網(wǎng)絡(luò)由一組隨機(jī)選擇謝物產(chǎn)生；點(diǎn)的縱坐標(biāo)值表示的是第二個網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)的種子集在第一個網(wǎng)絡(luò)的種子集的基礎(chǔ)上添加了圖的 9 種代謝物之一。點(diǎn)的顏色代表了添加的不同的種子代謝物。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的大小可以分成 I、II、III、IV 四網(wǎng)絡(luò)，只有引入 O2作為種子代謝物的網(wǎng)絡(luò)能夠轉(zhuǎn)變?yōu)?IV 組（虛線），即規(guī)模最大的一組代謝網(wǎng)絡(luò)。igure 1.3 The Effect of Various Metabolites on the Network Scale of Ecosystem-Level MetaboNetworks（Raymond and Segrè 2006）h point represents two consecutively generated networks. The the abscissa value is the size of the first network, wherated from a randomly chosen seed set of metabolites; and the ordinate value is the size of the second network, wherated from that same seed set amended with the addition of one of the nine metabolites shown in the legend. The cots represents different metabolite which is added in the seed set to generate the second network. All networks cded into four different groups of I, II, III and IV, according to the size of the network. Only networks that introducesed metabolite are able to transition into group IV (dashed line), which is the group of largest metabolic networks.2017 年，Goldford 等人通過該模型探尋了代謝網(wǎng)絡(luò)的起源。他們從一些簡單的化學(xué)分子出發(fā)（不含含磷化合物）構(gòu)建了一個擬原始代謝網(wǎng)絡(luò)。為了模擬原始地

本文編號：2856412