Self-Replication and Non-enzymatic Catalytic Networks subject to Open Flow

The origin of life on earth has inspired scientists, philosophers, and common folk for quite a long time. The answer to this question either will be no definitive answer or has multiple factors, i.e, there is not, yet, a straight formula that defines the exact moment when inanimate matter becomes animate matter. So, many theories have been developed but none answer the basic question: how did life emerge on the early earth? However, scientists around the world have agreed on one specific requisite that makes life possible and that differentiates animate matter from inanimate matter, namely SelfReplication. Self-Replication occurs in nature on so many scales from the mineral kingdom to the animal kingdom. Independently of how life emerged and got organized on earth, it is widely accepted that for a period of time, molecules must have been able to generate copies of themselves. The main goal of this work was not solve the problematic concerning how life arose on earth, but rather we studied a well-defined and applicable (experimental) model that displays the self-replication like-property through the formation of a template. Template induced replication is the basis of multiplication and reproduction in nature, so it becomes clear the importance of studying such a process in depth. In order to approach this knowledge, we analysed numerically the stationary state solutions for a class of autocatalytic reactions based on template assisted ligation. For this, we employ laws imposed by thermodynamic constraints that, up to now, have been neglected. In order to avoid chemical equilibrium we opened the system to the environment, thus affecting the template production significantly. Withal, it was possible to observe that, depending on the set of input/output as well as the flux rate chosen, the system behaviour switches into a condition where the production of template or intermediates is either favored or not. Resumo A origem da vida na terra tem inspirado cientistas , filósofos e pessoas comuns desde a muito tempo atrás. A resposta para esta questão talvez nunca irá ser respondida ou se há uma resposta esta poderá depender de muitos fatores, isto é, ainda não há uma formula, e talvez nunca haja, direta que delineia o momento que a matéria inanimada tornou-se matéria animada. Teorias têm sido desenvolvidas, mas nenhuma responde a questão básica que é: Como a vida surgiu na terra primitiva? Contudo, cientistas espalhados por todo o mundo concordam que deve haver um pré-requisito básico que diferencia matéria viva de não viva, e este pré-requisito é a propriedade de autorreplicação. Autorreplicação aparece na natureza em várias escalas desde o reino mineral até o reino animal. Independentemente de como a vida possa ter surgido e se organizado neste planeta, já se é amplamente aceite que em algum momento no tempo, moléculas foram capazes de gerar cópias delas mesmas. O objetivo deste trabalho foi o estudo de um conceito bem definido e aplicável (experimentalmente), de um modelo que possui como característica a autorreplicação através da formação de um template. Processos de replicação mediados por produção de template são a base da multiplicação e reprodução na natureza. Através disso, torna-se claro a relevância do estudo focado e profundo de tais processos. Com esta inspiração, nós analisamos numericamente estados estacionários (steady-states) para uma série de reações autocatalíticas baseadas na formação de templates. Para evitar o equilíbrio químico imposto por leis da termodinâmica, o sistema foi aberto para o ambiente onde houve o influxo e a saída de componentes, tal como ocorre nos seres vivos. Através desta abordagem foi possível observar que o modelo comportava-se de forma diferente a depender do volume de entrada/saída de componentes, o tipo de componentes que era injetado/retirado do sistema e por último o tempo de fluxo. Alterando estes três parâmetros foi possível criar redes (networks) complexas de interações que por vezes estimulavam a formação de templates e/ou intermediários. Os resultados aqui apresentados podem ajudar no entendimento de como simples moléculas através do processo de (bottom-up), podem ter formado redes complexas de interações e utilizando-se da evolução, ter chegado nas complexas redes bioquímicas que estão presentes em todas as células vivas atuais.