Теория сборки

Теория, характеризующая сложность объекта

Синтез аристолохиевой кислоты . Синтез сложных молекул требует много шагов. И чем больше шагов требуется для синтеза конкретной молекулы, тем более вероятно, что она имеет биологическое (или технологическое) происхождение.

Теория сборки — это структура, разработанная для количественной оценки сложности молекул и объектов путем оценки минимального количества шагов, необходимых для их сборки из фундаментальных строительных блоков. Предложенная химиком Ли Кронином и его командой, теория присваивает молекулам индекс сборки, который служит измеримым показателем их структурной сложности. Этот подход допускает экспериментальную проверку и имеет приложения для понимания процессов отбора, эволюции и идентификации биосигнатур в астробиологии . ^[1]

Фон

Гипотеза была предложена химиком Лероем Кронином в 2017 году и развита группой, которую он возглавляет в Университете Глазго , ^{[2] [3]} а затем расширена в сотрудничестве с группой из Университета штата Аризона во главе с астробиологом Сарой Имари Уокер в статье, опубликованной в 2021 году. ^[4]

Теория сборки концептуализирует объекты не как точечные частицы, а как сущности, определяемые их возможными историями формирования. ^[5] Это позволяет объектам демонстрировать доказательства отбора в рамках четко определенных границ индивидуумов или выбранных единиц. ^[5] Комбинаторные объекты важны в химии, биологии и технологии, в которых большинство объектов интереса (если не все) являются иерархическими модульными структурами. ^[5] Для любого объекта «пространство сборки» может быть определено как все рекурсивно собранные пути, которые производят этот объект. ^[5] «Индекс сборки» — это количество шагов на кратчайшем пути, производящем объект. ^[5] Для такого кратчайшего пути пространство сборки охватывает минимальную память с точки зрения минимального количества операций, необходимых для построения объекта на основе объектов, которые могли существовать в его прошлом. ^[5] Сборка определяется как «общий объем отбора, необходимый для создания ансамбля наблюдаемых объектов»; для ансамбля, содержащего объекты в целом, из которых являются уникальными, сборка определяется как ${\displaystyle N_{T}}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle A}$

${\displaystyle A=\mathop {\sum } \limits _{i=1}^{N}{e}^{{a}_{i}}\left({\frac {{n}_{i}-1}{{N}_{\rm {T}}}}\right)}$,

где обозначает «номер копии», количество вхождений объектов типа, имеющих индекс сборки . ^[5] ${\displaystyle n_{i}}$ ${\displaystyle i=\{1,2,\dots ,N\}}$ ${\displaystyle a_{i}}$

Например, слово «abracadabra» содержит 5 уникальных букв (a, b, c, d и r) и имеет длину 11 символов. Его можно собрать из его составляющих как a + b --> ab + r --> abr + a --> abra + c --> abrac + a --> abraca + d --> abracad + abra --> abracadabra, потому что «abra» уже было построено на более раннем этапе. Поскольку для этого требуется не менее 7 шагов, индекс сборки равен 7. ^[6] Например, слово «abracadrbaa» той же длины не имеет повторов, поэтому его индекс сборки равен 10.

Возьмем две двоичные строки и в качестве другого примера. Обе имеют одинаковую длину битов, обе имеют одинаковый вес Хэмминга . Однако индекс сборки первой строки равен ("01" собирается, объединяется с собой в "0101" и снова объединяется с "0101", взятым из пула сборки), тогда как индекс сборки второй строки равен , поскольку в этом случае из пула сборки можно взять только "01". ^{[ необходима цитата ]} ${\displaystyle C=[01010101]}$ ${\displaystyle D=[00010111]}$ ${\displaystyle N=8}$ ${\displaystyle N_{1}=N/2=4}$ ${\displaystyle a(C)=3}$ ${\displaystyle a(D)=6}$

В общем случае для K субъединиц объекта O индекс сборки ограничен . ^[3] ${\displaystyle \log _{2}(K)\leq a_{O}\leq K-1}$

Как только путь сборки объекта обнаружен, объект может быть воспроизведен. Скорость открытия новых объектов может быть определена скоростью расширения , вводя временную шкалу открытия . ^[5] Чтобы включить число копий в динамику теории сборки, определяется временная шкала производства , где - скорость производства конкретного объекта . ^[5] Определение этих двух различных временных шкал , для первоначального открытия объекта, и , для создания копий существующих объектов, позволяет определить режимы, в которых возможен выбор. ^[5] ${\displaystyle k_{\text{d}}}$ ${\displaystyle \tau _{\text{d}}\approx 1/k_{\text{d}}}$ ${\displaystyle n_{i}}$ ${\displaystyle \tau _{\text{p}}\approx 1/k_{\text{p}}}$ ${\displaystyle k_{\text{p}}}$ ${\displaystyle i}$ ${\displaystyle \tau _{\text{d}}}$ ${\displaystyle \tau _{\text{p}}}$

В то время как другие подходы могут обеспечить измерение сложности, исследователи утверждают, что число молекулярных сборок теории сборки является первым, которое можно измерить экспериментально. Молекулы с высоким индексом сборки вряд ли будут образовываться абиотически, и вероятность абиотического образования снижается по мере увеличения значения индекса сборки. ^[5] Индекс сборки молекулы может быть получен напрямую с помощью спектроскопических методов. ^{[5] [1]} Этот метод может быть реализован в инструменте фрагментационной тандемной масс-спектрометрии для поиска биосигнатур . ^[1]

Теория была расширена для картирования химического пространства с помощью молекулярных сборочных деревьев, демонстрируя применение этого подхода в открытии лекарственных препаратов ^[2], в частности, в исследовании новых опиатоподобных молекул путем соединения «элементов сборочного пула по той же схеме, по которой они были отсоединены от своих исходных соединений».

Трудно идентифицировать химические сигнатуры, которые являются уникальными для жизни. ^[7] Например, биологические эксперименты спускаемого аппарата Viking обнаружили молекулы, которые можно было бы объяснить как живыми, так и естественными неживыми процессами. ^[8] Похоже, что только живые образцы могут давать показатели индекса сборки выше ~15. ^[1] Однако в 2021 году Кронин впервые объяснил, как полиоксометаллаты могут иметь большие индексы сборки >15 в теории из-за автокатализа. ^[9]

Критические взгляды

Химик Стивен А. Беннер публично критиковал различные аспекты теории сборки. ^[10] Беннер утверждает, что утверждение о том, что неживые системы, без вмешательства жизни, не могут содержать сложные молекулы, является явно ложным, но люди могут быть введены в заблуждение, думая, что поскольку это было опубликовано в журналах Nature после рецензирования, эти статьи должны быть верными.

Статья, опубликованная в журнале Journal of Molecular Evolution ^[11], ссылается на сообщение в блоге Гектора Зенила ^[12], «в котором идентифицируется не менее восьми заблуждений теории сборок». Статья также ссылается на видеоэссе того же автора ^[13] , в котором говорится, что оно «обобщает эти заблуждения и подчеркивает концептуальные/методологические ограничения, а также повсеместную неспособность сторонников теории сборок признать соответствующие предыдущие работы в области науки о сложности». В статье делается вывод, что «шумиха вокруг теории сборок довольно неблагоприятно отражается как на авторах, так и на системе научных публикаций в целом». Автор ^[11] приходит к выводу, что «теория сборок на самом деле обнаруживает и количественно оценивает предвзятость, вызванную ограничениями более высокого уровня в некоторых четко определенных мирах, основанных на правилах»; «теорию сборок можно использовать для проверки того, происходит ли что-то неожиданное в очень широком диапазоне вычислительных модельных миров или вселенных ».

Группа под руководством Гектора Зенила, бывшего старшего научного сотрудника и преподавателя Оксфорда и Кембриджа, а в настоящее время доцента кафедры биомедицинской инженерии Королевского колледжа Лондона , ^[14] воспроизвела результаты теории сборки с помощью традиционных статистических алгоритмов. ^[15]

Другая статья, написанная группой химиков и планетологов, включая автора, связанного с NASA , опубликованная в журнале Royal Society Interface ^[16], продемонстрировала, что абиотические химические процессы обладают потенциалом для формирования кристаллических структур большой сложности — значений, превышающих предложенное абиотическое/биотическое разделение индекса MA = 15. Они приходят к выводу, что «хотя предложение о биосигнатуре, основанной на индексе молекулярной сборки 15, является интригующей и проверяемой концепцией, утверждение о том, что только жизнь может генерировать молекулярные структуры с индексом MA ≥ 15, ошибочно».

В статье также цитируются статьи и сообщения Гектора Зенила ^[12] , в которых ставится под сомнение возможность использования единственной скалярной величины, такой как индекс сборки, для адекватного различения живых и неживых систем, а также указывается на заметное сходство подхода теории сборки с нецитированными предыдущими попытками отличить биотические от абиотических молекулярных соединений. ^[17]

В частности, в статье упоминается, что Зенил и его коллеги «также могли предвосхитить ключевые выводы теории сборки, исследуя связи между причинной памятью, отбором и эволюцией» ^{[16] [18] .}

Смотрите также

• Список межзвездных и околозвездных молекул
• Текстовая задача для групп

Ссылки

1. Маршалл SM, Матис C, Каррик E и др. (24 мая 2021 г.). «Идентификация молекул как биосигнатур с помощью теории сборки и масс-спектрометрии». Nature Communications . 12 (3033): 3033. Bibcode :2021NatCo..12.3033M. doi :10.1038/s41467-021-23258-x. PMC  8144626 . PMID  34031398.
2. Лю, Ю; Матис, Коул; Байчик, Михал Дариуш; Маршалл, Стюарт М.; Вилбрахам, Лиам; Кронин, Лерой (2021). «Исследование и картирование химического пространства с помощью деревьев молекулярной сборки». Science Advances . 7 (39): eabj2465. Bibcode :2021SciA....7J2465L. doi : 10.1126/sciadv.abj2465 . PMC 8462901 . PMID  34559562. 
3. Маршалл, Стюарт М.; Мюррей, Аластер РГ; Кронин, Лерой (2017). «Вероятностная структура для идентификации биосигнатур с использованием сложности путей». Философские труды Королевского общества A: Математические, физические и инженерные науки . 375 (2109). arXiv : 1705.03460 . Bibcode : 2017RSPTA.37560342M. doi : 10.1098/rsta.2016.0342. PMC 5686400. PMID  29133442 . 
4. Сара Имари Уокер; Лерой Кронин; Алекса Дрю; Шон Домагал-Голдман; Тереза ​​Фишер; Майкл Лайн; Кэмериан Миллсапс (7 апреля 2019 г.). «Вероятностные структуры биосигнатур». В Victoria Meadows; Giada Arney; Britney Schmidt; David J. Des Marais (ред.). Планетарная астробиология . doi :10.2458/azu_uapress_9780816540068-ch018.
5. Шарма, Абишек; Чегель, Даниэль; Лахманн, Майкл; Кемпес, Кристофер П.; Уокер, Сара И.; Кронин, Лерой (октябрь 2023 г.). «Теория сборки объясняет и количественно определяет отбор и эволюцию». Nature . 622 (7982): 321–328. Bibcode :2023Natur.622..321S. doi : 10.1038/s41586-023-06600-9 . ISSN  1476-4687. PMC 10567559 . PMID  37794189. 
6. Матис, Коул; И. Патарройо, Кит; Кронин, Ли. «Понимание индексов сборки». Молекулярная сборка . Группа Кронин . Получено 26 марта 2024 г. , в результате чего индекс сборки равен 7
7. Швитерман, Эдвард В.; Кианг, Нэнси Й.; Паренто, Мэри Н.; Харман, Честер Э.; Дассарма, Шиладитья; Фишер, Тереза ​​М.; Арни, Джиада Н.; Хартнетт, Хилари Э .; Рейнхард, Кристофер Т.; Олсон, Стефани Л.; Медоуз, Виктория С.; Кокелл, Чарльз С.; Уокер, Сара И.; Гренфелл, Джон Ли; Хегде, Сиддхарт; Рагхаймер, Сара; Ху, Ренью; Лайонс, Тимоти В. (2018). «Биологические признаки экзопланет: обзор дистанционно обнаруживаемых признаков жизни». Астробиология . 18 (6): 663–708. arXiv : 1705.05791 . Bibcode :2018AsBio..18..663S. doi :10.1089/ast.2017.1729. PMC 6016574. PMID 29727196  . 
8. Plaxco KW, Gross M (12 августа 2011 г.). Астробиология: краткое введение. JHU Press. стр. 285–286. ISBN 978-1-4214-0194-2. Получено 16 июля 2013 г.
9. Кронин, Лерой (2021). «Изучение скрытых ограничений, контролирующих самосборку наномолекулярных неорганических кластеров». Бюллетень Японского общества координационной химии . 78 : 11–17. doi :10.4019/bjscc.78.11.
10. Беннер, Стивен А. «Теория сборки и агностическая находка жизни – The Primordial Scoop» . Получено 19 сентября 2023 г.
11. Jaeger, Johannes (2024). «Теория сборки: что она делает и чего она не делает». Журнал молекулярной эволюции . 92 (2): 87–92. doi : 10.1007 /s00239-024-10163-2 . PMC 10978598. PMID  38453740. 
12. Zenil, Hector. "The 8 Fallacies of Assembly Theory". Medium . Получено 26 сентября 2023 г. .
13. «Теория сборки Ли Кронина оспорена и развенчана доктором Гектором Зенилом». YouTube . Январь 2024 . Получено 13 марта 2024 .
14. "Dr Hector Zenil" . Получено 17 марта 2024 г. .
15. Утамакумаран, Абикумаран; Абраао, Фелипе С.; Киани, Нарсис; Зенил, Гектор (2022). «О существенных ограничениях методов теории сборки и их классификации молекулярных биосигнатур». arXiv : 2210.00901 [cs.IT].
16. Hazen, Robert M.; Burns, Peter C.; Cleaves II, H. James; Downs, Robert T.; Krivovichev, Sergey V.; Wong, Michael L. (2024). «Индексы молекулярной сборки минеральных гетерополианионов: некоторые абиотические молекулы столь же сложны, как и большие биомолекулы». Journal of the Royal Society Interface . 21 (211). doi :10.1098/rsif.2023.0632. PMC 10878807. PMID 38378136  . 
17. Зенил, Гектор; Киани, Нарсис А.; Шан, ММ; Тегнер, Йеспер (2018). «Алгоритмическая сложность и перепрограммируемость сетей химической структуры». Parallel Processing Letters . 28 (1850005). arXiv : 1802.05856 . doi : 10.1142/S0129626418500056.
18. Эрнандес-Ороско, Сантьяго; Киани, Нарсис А.; Зенил, Гектор (2018). «Алгоритмически вероятные мутации воспроизводят аспекты эволюции, такие как скорость конвергенции, генетическая память и модульность». Royal Society Open Science . 5 (8). arXiv : 1709.00268 . doi :10.1098/rsos.180399. PMID  30225028.

Дальнейшее чтение

• Кронин, Лерой; Уокер, Сара Имари (3 июня 2016 г.). «За пределами пребиотической химии». Science . 352 (6290): 1174–1175. Bibcode :2016Sci...352.1174C. doi :10.1126/science.aaf6310. ISSN  0036-8075. PMID  27257242. S2CID  206649123.
• Кронин, Лерой; Красногор, Наталио; Дэвис, Бенджамин Г.; Александр, Кэмерон; Робертсон, Нил; Штайнке, Иоахим Х.Г.; Шредер, Свен Л.М.; Хлобыстов, Андрей Н.; Купер, Джефф; Гарднер, Пол М.; Зипманн, Питер (2006). «Имитационная игра — вычислительный химический подход к распознаванию жизни». Nature Biotechnology . 24 (10): 1203–1206. doi :10.1038/nbt1006-1203. ISSN  1546-1696. PMID  17033651. S2CID  4664573.
• Болл, Филип (4 мая 2023 г.). «Новая теория сборки жизни во Вселенной». Журнал Quanta .