ドイツの物理学者と生物学者の共同研究により、初期地球の原始スープで液滴が生きた細胞に進化することを可能にした可能性がある単純なメカニズムが発見されました。
生命の起源の研究者は、アイデアのミニマリズムを称賛しています。この研究には関与していないオックスフォード大学の理論物理学教授であるラミン・ゴレスタニアンは、「生命形成の一般的な現象学は、人が考えるよりもはるかに簡単である」ことを示唆する大きな成果であると述べています。
生命の起源に関する中心的な問題は、最初の細胞が原始的な前駆体からどのように発生したかということです。 「プロトセル」と呼ばれるこれらの前駆体は何で、どのようにして生き返ったのでしょうか? 「膜ファースト」仮説の支持者は、生命の化学物質を囲い込み、生物学的複雑さを孵化させるために脂肪酸膜が必要であると主張してきました。しかし、膜のような複雑なものがどのようにして自己複製と増殖を開始し、進化が作用できるようになるのでしょうか?
1924 年、ロシアの生化学者であるアレクサンダー オパリンは、生命の謙虚な始まりの源として、熱くて塩辛い原初のスープを最初に想像し、謎のプロトセルは液滴である可能性があると提案しました。反応。近年、液滴は現代の細胞内でさまざまな重要な機能を果たしていることが判明しており、進化の歴史における液滴の役割についてのオパリンの長い間忘れられていた推測が復活しました。しかし、彼も他の誰も、液滴がどのように増殖し、成長し、分裂し、その過程で最初の細胞に進化したのかを説明できませんでした.
現在、ドレスデンにあるマックス プランク複雑系物理学研究所とマックス プランク分子細胞生物学および遺伝学研究所の David Zwicker と共同研究者による新しい研究は、答えを示唆しています。科学者たちは、化学物質を周囲の流体に出し入れする「化学的に活性な」液滴の物理学を研究し、これらの液滴が細胞のように細胞サイズに成長して分裂する傾向があることを発見しました。この「アクティブな液滴」の動作は、水中の油滴の受動的でより一般的な傾向とは異なります。油滴は、分裂することなく、ますます大きな液滴になります。
化学的に活性な液滴が一定のサイズに成長し、自発的に分割できる場合、「生きていないスープから自然に生命が出現した可能性が高くなります」と、ドレスデンの生物物理学者で共同研究者のフランク・ジュリッヒャーは述べています。新しい論文の著者
Nature Physics で報告された調査結果 先月、「細胞がどのようにして娘を作ったか」を説明することで、生命の始まりの可能性のある絵を描くと、現在ハーバード大学のポスドク研究者であるツウィッカーは述べた. 「もちろん、これは進化について考えたい場合の鍵です。」
オランダのライデン大学の理論生物物理学者で、生命の起源の背後にある可能性のある物理的メカニズムを研究しているルカ・ジョミは、この新しい提案は、これまで考えられてきた原始細胞分裂の他のメカニズムよりもはるかに単純であり、「非常に有望な方向性です。 」
しかし、カリフォルニア大学サンタクルーズ校の生化学者であり、膜優先仮説の長年の擁護者である David Deamer は、新たに発見された液滴分裂のメカニズムは興味深いものの、生命の起源との関連性はまだわからないと主張しています。 .このメカニズムは、現代の細胞分裂の複雑で多段階のプロセスとはかけ離れている、と彼は指摘した.
単純な分割液滴が、アメーバからシマウマに至るまで、現代の生命の豊かな動物園に進化した可能性はありますか?新しい研究に精通している物理学者と生物学者は、それはもっともらしいと言います。次のステップとして、生細胞に見られる液滴をモデルにした合成ポリマーで作られたアクティブな液滴の成長と分裂を観察しようとする実験がドレスデンで進行中です。その後、科学者たちは、生物学的液滴が同じように分裂することを観察したいと考えています。
プリンストン大学の生物物理学者である Clifford Brangwynne は、ドレスデンを拠点とするチームの一員であり、8 年前に最初の細胞内液滴を特定しました。エレガンス — これらが進化の歴史の痕跡であったとしても驚くべきことではないと説明した.独自の DNA を持つオルガネラであるミトコンドリアが、細胞に感染して共生関係を築いた古代のバクテリアに由来するように、「生きている細胞に見られる濃縮液相は、同様の意味で、化石の記録のようなものを反映している可能性があります。最初に細胞をセットアップするのを助けた物理化学的原動力の。」と彼は言いました。
「この Nature Physics 論文はそれを次のレベルに引き上げます」と、小滴が「プロトセルとしての役割を果たす」ために必要だったであろう特徴を明らかにすることによって、Brangwynne は付け加えました.
ドレスデンの飛沫
ドレスデンの液滴の発見は、2009 年に Brangwynne と共同研究者が C の「P 顆粒」として知られる小さな点の性質を解明したときに始まりました。エレガンス 精子細胞と卵細胞に分裂する生殖系列細胞。この分裂過程で、研究者は、P 顆粒が成長、収縮し、拡散によって細胞を横切って移動することを観察しました。 Science で報告された、それらが液滴であるという発見 、他の細胞内構造も液滴として識別されたため、活動の波が促進されました。 Brangwynne と、最初の実験が行われたドレスデンの生物学研究所の責任者である Tony Hyman が、Oparin の 1924 年のプロトセル理論との関連性を確認するのに、それほど時間はかかりませんでした。 2012 年のオパリンの生涯と影響力のある著書『The Origin of Life』についてのエッセイで 、Brangwynne と Hyman は、彼が理論化した液滴は「生命の進化する琥珀の中のハエのように、私たちの細胞内でまだ生きていて、安全である可能性がある」と書いています.
オパリンは、初期の地球での落雷や地熱活動が、生命に必要な有機高分子の合成を引き起こした可能性があるという仮説を立てたことで最も有名です。この推測は、後に英国の科学者ジョン・ホールデンによって独自に作成され、1950 年代のミラー・ユーリー実験によって意気揚々と確認されました。これらの高分子の液体凝集体がプロトセルとして機能した可能性があるという Oparin のもう 1 つのアイデアは、あまり評価されませんでした。 P顆粒を研究しているドレスデンのグループも知りませんでした.
彼らの発見をきっかけに、Jülicher は彼の新しい学生である Zwicker に、動物細胞の分裂に関与する細胞小器官である中心体の物理学を解明するタスクを割り当てました。 Zwicker は、中心体を、化学的に活性であり、構成タンパク質を周囲の液体細胞質に出し入れする「非平衡」システムとしてモデル化した。彼のモデルでは、これらのタンパク質は 2 つの化学状態を持っています。状態 A のタンパク質は周囲の液体に溶解しますが、状態 B のタンパク質は不溶性で、液滴内に凝集します。状態 B のタンパク質が自発的に状態 A に切り替わり、液滴から流出することがあります。エネルギー源が逆反応を引き起こし、状態 A のタンパク質が化学的障壁を乗り越えて状態 B に変化します。この不溶性タンパク質が水滴にぶつかると、水たまりの雨滴のように、簡単に内部に滑り込みます.したがって、エネルギー源がある限り、分子はアクティブな液滴に出入りします。 「初期の地球の文脈では、太陽光が原動力だったでしょう」と Jülicher は言いました。
Zwicker は、アクティブな液滴が特定の体積に達すると、この化学物質の流入と流出が正確に相殺され、液滴の成長が停止することを発見しました。ツウィッカーのシミュレーションの典型的な液滴は、その特性 (細胞のスケール) に応じて、数十または数百ミクロンに成長しました。
次の発見はさらに予想外でした。アクティブな液滴のサイズは安定していますが、Zwicker は形状に関して不安定であることを発見しました。過剰な B 分子がその表面の一部で液滴に入り、その方向にわずかに膨らむと、膨らみは、より多くの分子が内部に拡散できるため、液滴の成長をさらに加速します。液滴はさらに伸びて、表面積の小さい中央をつまんでいきます。最終的に、それは一対の液滴に分裂し、特徴的なサイズに成長します。 Jülicher がツヴィッカーの方程式のシミュレーションを見たとき、「彼はすぐにそれに飛びつき、『それは割り算に非常によく似ている』と言いました」とツヴィッカーは言いました。 「そして、このプロトセル全体のアイデアがすぐに浮かび上がりました。」
ツヴィッカー、ジュリッヒャー、そして彼らの共同研究者であるラベア・セイボルト、クリストフ・ウェーバー、トニー・ハイマンは、その後 3 年間にわたって理論を発展させ、オパリンのビジョンを拡張しました。 「オパリンのように飛沫について考えただけでは、進化がこれらの飛沫にどのように作用したかは明らかではありません」とツウィッカーは言いました。 「進化のためには、わずかな変更を加えた自分自身のコピーを作成する必要があり、その後、自然淘汰が物事がより複雑になる方法を決定します。」
小球祖先
昨年の春、Jülicher は Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics の生物学研究室の責任者である Dora Tang と会い、活発な液滴分裂を観察する計画について話し合いました。
Tang の研究室では、生化学分子に似たポリマー、脂質、タンパク質で作られた人工細胞を合成しています。今後数か月にわたって、彼女と彼女のチームは、P 顆粒と中心体のタンパク質に物理的に類似したポリマーでできた液滴の分割を探します。ハイマンの研究室と協力して行われる次のステップは、中心体または他の生物学的液滴の分裂を観察し、それらがツウィッカーと同僚による論文で特定されたメカニズムを利用しているかどうかを判断することです. 「それは大したことです」と、ライデンの生物物理学者である Giomi は言いました。
メンブレンファーストの提唱者であるディーマーが新しい論文を読んだとき、彼は隕石から抽出した炭化水素の液滴で予測された挙動のようなものをかつて観察したことを思い出した。彼が近紫外光で液滴を照らしたとき、それらは移動し、分裂し始めました。 （彼はこの現象の映像をジュリッヒャーに送りました。）それにもかかわらず、ディーマーは効果の重要性を確信していません。 「彼らが報告した分裂のメカニズムが、生きた細胞が実際に分裂する複雑なプロセスに進化する明らかな方法はありません」と彼は言いました.
Tang を含む他の研究者は同意しません。彼女は、液滴が分裂し始めると、遺伝情報を伝達する能力を簡単に獲得でき、本質的にタンパク質をコードする RNA または DNA のバッチを娘細胞の等しい区画に分割することができた可能性があると述べています。この遺伝物質が液滴分裂の速度を増加させる有用なタンパク質をコードしている場合、自然淘汰はその行動に有利に働くでしょう。太陽光とエントロピー増加の法則に支えられたプロトセルは、徐々に複雑になっていったでしょう。
Jülicher と同僚は、途中のどこかで、プロトセル液滴が膜を獲得した可能性があると主張しています。液滴は、液滴と周囲の液体との間の界面に位置することを好む脂質のクラストを自然に収集します。どういうわけか、遺伝子は一種の保護としてこれらの膜をコード化し始めたのかもしれません。このアイデアが Deamer に提出されたとき、彼は「私はそれに賛成できます」と述べ、プロトセルを膜を持つ最初の液滴として定義すると述べました。
もちろん、原始的なプロットラインは、将来の実験の結果に左右されます。これにより、予測された液滴分割メカニズムが実際にどれほど堅牢で関連性があるかが決まります。理論を裏付ける正しい 2 つの状態 A と B を持つ化学物質を見つけることができますか?もしそうなら、非生命から生命への実行可能な道筋が見え始めます。
Jülicher の意見では、プロセス全体で最も幸運だったのは、液滴が細胞に変化したことではなく、最初の液滴 (私たちの球体の祖先) が最初に形成されたことでした。液滴が自然に発生または「核形成」するには、多くの化学物質が必要であり、それを実現するために、適切な複雑な巨大分子が原始スープにどのように蓄積されたのかは不明です.しかし、ジュリヒャーは、スープがたくさんあり、何年も煮込んでいたと言いました.
「非常にまれな出来事です。それが起こるまで長い間待たなければならない」と彼は言った。 「一度それが起こると、次のことがより簡単に、より体系的に起こるのです。」
