内德·西曼的遗产

“达尔文的‘生存斗争’是如何发生的，在分子水平上基本上还没有被探索过。”伊迪丝·希尔德写道最近，欧洲分子生物学实验室(European Molecular Biology Laboratory)主任施耐德(dr . schilen)表示。¹她说的是在自然环境中建立一个更好的生物分子尺度的图像，而不是在实验室里的一小部分。但从另一个角度来看，达尔文进化论的基本过程——复制、突变和选择——并没有在单个分子的水平上进行太多的探索。

当然，在生物体中，基因突变的影响只在表型水平上对选择压力可见。将遗传基因型突变与其对健康的影响区分开来是一个复杂的世界。但这种联系在病毒中要直接得多，SARS-CoV-2正让我们痛苦地意识到其后果。人们普遍认为，达尔文的自然选择是从更简单的分子实体开始的——甚至可能是单个分子，就像生命起源的RNA世界假设所假设的那样。

单股dna样链的模板复制和指数增长第一次展示几十年前²并已也被观察到RNA酶中可以显示变异之间的竞争。^3.只有同时存在突变和区分突变体的选择压力时，这样的过程才符合达尔文进化论。这两种特征现在都已在合成DN澳门万博公司A结构中得到证实，产生了一种原型分子系统它应该提供一个简单的、可调的最小模型，来解释“达尔文的‘生存斗争’是如何发生的”。⁴

他的伟大见解是DNA能做的比大自然能做的更多

这项新研究利用了已故纽约大学奈德·西曼开创的DNA纳米技术去年12月去世他和物理学家保罗·柴金(Paul Chaikin)等人共同撰写了这篇论文。西曼是独一无二的:一个富有想象力的梦想家，在他粗暴直言的举止之下，是一个体贴和关心他人的人，他激发了朋友和学生的巨大感情。⁵他的伟大见解是，DNA可以做的比大自然能做的更多——它可以作为一种可编程分子，可以通过碱基配对自组装成各种结构和扩展阵列。西曼和其他人使用合成DNA链来创建纳米尺度的框架、晶格、折纸图案和分子机器。⁶

在这些可能性中，西曼与加州理工学院的埃里克·温弗里(Erik Winfree)合作，将DNA链折叠成“瓦片”，通过其边缘连接成包含某种计算的可编程阵列，类似于斯坦尼斯拉斯·乌兰(Stanislas Ulam)和约翰·冯·诺伊曼(John von Neumann)首次提出的“细胞自动机”。碰巧，冯·诺依曼把这些假想的实体设想为自我复制的模型。西曼、柴金和他们的同事们现在又回到了原点，证明了这样的DNA瓦片确实可以体现达尔文的复制和选择——在某种意义上就像天然DNA在基因组中所做的那样，只是通过非常不同的结构和原理。

研究人员在此基础上早期的作品他们展示了瓷砖图案的自我复制。⁷这里的复制实体是二聚体，其中每个成分都是具有“粘性边缘”的十字形DNA瓦，其中碱基可以与其他瓦上的互补序列配对。这种配对是由种子二聚体发起的，它可以在顶部和底部边缘形成其他二聚体。新的二聚体通过紫外光激活的连接基团以共价结合，并且它们自己可以成为其他二聚体的模板，产生一个不断增长的阶梯状带，让人想起双链DNA螺旋本身。二聚体可以通过温和的加热分离，完成复制周期。

西曼和他的同事先前证明了这种指数复制也可以显示选择:对于两种不同的瓷砖，一种在酸性条件下复制得更快，而另一种在中性ph下复制得更快。现在他们又增加了达尔文进化论的另一个元素:突变。除了“常规”(AB)二聚体外，他们还引入了另一种(CD)二聚体，其粘边序列足够相似，可以相互模板化。然后，不断增长的AB条带可能会产生CD突变——在重复的复制周期中，后者可能会繁殖甚至接管种群，尽管它最初是用AB二聚体播种的。研究人员指出，可以添加更多的突变类型，具有不同的生长速度和对环境因素(如pH值或温度)的敏感性，这些因素可以作为选择压力。这样，这个系统就可以用实验方法来模拟自然选择的基本特征——比如，探索突变率的范围是否有限制，从而支持真正的达尔文进化论，就像理论上预期的那样。澳门万博公司

但不仅如此:纳米级的构建模块可以被用于创建扩展的材料系统——这里是二维筏，但其他人已经使用DNA结构来构建三维。这不仅开启了复制，也开启了自然选择作为可进化材料的工具的大门——这是一个假设的生物学领域的例子有生命的材料利用生命系统的能力。西曼的遗产可能才刚刚开始。