生物演化中蛋白质宇宙的涌现

本文提出一种生物演化的物理模型，其中表型（生物寿命）与基因型即其蛋白质的稳定性直接相关，而稳定性在模型中可精确确定。在计算机上模拟该模型时，我们持续观察到大爆炸情景：随着有利序列-结构组合（稳定蛋白质的前体）被发现，指数级种群增长随之发生。此后，结构空间的随机多样性骤然坍塌为一小簇偏好结构基序。我们观察到蛋白质折叠在远长于突变或生物寿命的时间尺度上在种群中保持稳定且丰富，且种群中主导折叠的寿命分布近似服从幂律。发现新折叠与生成新序列的演化时间尺度分离，导致了蛋白质家族与超家族的涌现，其规模呈幂律分布，与现实蛋白质的分布高度吻合。演化蛋白质宇宙的 Structural相似性网络具有与实际蛋白质结构域宇宙图（PDUG）相同的无标度特征。进而，模型预测古老蛋白质结构域代表所有蛋白质结构域中高度连接且成簇的子集，与现实完全一致。总之，这些结果从微观第一性原理层面描绘了蛋白质结构与基因家族在演化过程中如何涌现。