Über die Evolution der Struktur sich autokatalytisch vermehrender Moleküle

Abstract

Auf der Erde entwickeln sich immer neue Spezies und passen sich an das Ökosystem an. Diese ständige Weiterentwicklung der Spezies ist im Allgemeinen schlecht verstanden. Wir stellen in dieser Arbeit ein molekulares Modellsystem vor, welches spontan neue Moleküle erzeugen und bestehende autokatalytisch vermehren kann. Dieses System kann dazu genutzt werden, die grundlegenden Prinzipien der Evolution zu untersuchen. Das System wird sowohl in einer Gillespiesimulation analysiert als auch experimentell durch eine Implementierung in DNA mit Hilfe der Taq-Ligase. In beiden Fällen kann eine Phase, in der alle möglichen Moleküle entstehen, und eine Phase, in der eine strikte Längenverdopplung stattfindet, festgestellt werden. Die Erweiterung des Phasenraums der vorkommenden Polymere durch eine zufällige Reaktion führt zu einer Längenverdopplungskaskade, welche für alle Reproduktionsarten (enzymatisch, autokatalytisch, sexuell) stabil ist. Dieser theoretische Prozess kann prinzipiell immer weiter fortgeführt werden und ist nur durch die zur Verfügung stehenden Ressourcen beschränkt.

On earth, ever new species evolve and adapt to the ecosystem. This unceasing progress of the species’ evolution is generally poorly understood. In this work, we present a model system, which spontaneously generates new molecules and autocatalytically proliferates existing ones. This system is satisfactory to examine fundamental principles of evolution. The system is analysed both with the help of a Gillespie simulation and a realisation using DNA and Taq DNA ligase. Both implementations show a phase in which all possible molecules emerge and a phase in which a strict length-doubling of polymers is observed. The expansion of the phase space of occurring polymers is induced by a spontaneous reaction and leads to a length-doubling cascade, which is stable for all types of reproduction (enzymatic, autocatalytic, sexual). In principle, this theoretical process may progress continuously and is only restricted by available resources.