タンパク質のエレガントなバレエは、現代の細胞が自分自身を複製することを可能にします.細胞分裂中、構造タンパク質と酵素は、DNA の複製、細胞の細胞質内容物の分割、および細胞を切断する膜の締め付けを調整します。これらのプロセスを正しく行うことは非常に重要です。なぜなら、エラーは異常または生存不能な娘細胞につながる可能性があるからです.
何十億年も前に、同じ課題が、無生物から自然に発生する化学物質の自己組織化膜状束に直面したに違いありません。しかし、これらのプロトセルは、大きなタンパク質に依存せずに複製する必要がほぼ確実にありました。彼らがどのようにしてそれを行ったのかは、生命の起源を研究している宇宙生物学者や生化学者にとって重要な問題です.
「細胞内のすべての酵素を削除しても、何も起こりません。それらはただの不活性な袋です」とシドニーのニューサウスウェールズ大学の宇宙生物学者アンナ・ワンは言いました。 「彼らは本当に安定しています。それがポイントです。」
ただし、Biophysical Journal の最近の論文では 、フランス科学産業都市の物理学者である Romain Attal と、パリ公立病院のがん生物学者 Laurent Schwartz は、熱だけで複製の重要な部分を駆動するのに十分であったことをモデル化する一連の数式を開発しました。プロセス:1 つのプロトセルが 2 つに分裂すること。
アタルは、生命の初期に活発だった化学的および物理的プロセスはおそらく非常に単純であり、熱力学だけが生命の始まりに重要な役割を果たした可能性があると考えています.彼は、彼が取り組んできた基本的な方程式の種類は、生命がどのように最初に出現したかを支配する規則のいくつかを説明することができると言いました.
「温度勾配は生命にとって重要です」とアタルは言いました。 「主題を理解したら、その原則を書き留める必要があります。」
核分裂のための反転
原始細胞が複雑なタンパク質機構なしで分裂するためには、そのプロセスに物理的または化学的なドライバーが必要だったでしょう。 「実際には、細胞をその基本的な機能に分解し、『基本的な物理的および化学的原理とは何か、タンパク質なしでそれをどのように模倣できるのか?』と考えることです」と Wang 氏は述べています。
これらのプロセスを理解することは、科学者がまだ生命全般の定義、特にプロトセルの定義に同意できないことを考えると、より困難になります.
科学者が同意しているのは、プロトセルは、娘細胞に伝えることができるある種の遺伝情報、化学反応を実行する代謝、および代謝と遺伝情報を地球の残りの部分のランダム性から分離する脂質膜を持っていたに違いないということです。原始スープ。外部の化学世界は本質的にランダムでしたが、脂質膜によって提供される分割により、エントロピーの低い領域が作成される可能性があります。
プロトセルが分裂する前に成長するには、細胞内の体積だけでなく、周囲の膜の表面積も増加させる必要があります。親細胞と同じ総体積を持つ 2 つの小さな娘細胞を作成するには、体積に比べて表面積が大きくなるため、膜に追加の脂質が必要になります。これらの脂質の合成を促進するために必要な化学反応は、熱の形でエネルギーを放出します.
Attal が Schwartz とこれらのアイデアについて話し合ったとき、彼は、このエネルギーが初期の細胞分裂を駆動するのに十分であるかどうか疑問に思い始めました。研究文献を検索すると、ミトコンドリア (数十億年前に共生細菌として始まった細胞のエネルギー センター) が周囲の細胞よりもわずかに高い温度を持っているという研究結果が明らかになりました。 Attal は、そのエネルギー差がプロトセルで生成できるかどうか、および核分裂を促進するのに十分かどうかを知りたがっていました.
彼は、何が起こっているのかをモデル化するために一連の方程式をスケッチし始めました。彼は、プロトセルが棒状であり、栄養素が拡散して老廃物が拡散することを可能にする二重層の膜を持っているなど、一連の仮定から始めました.
「これは非常に大まかなモデルです」と彼は言いました。 「それが 1 つの微分方程式に還元できることに驚きました。」
Attal は、原始的な細胞代謝によって生成されたエネルギーが、膜の内側の脂質を外側の脂質よりも速く加熱することに気付きました。すると、熱力学によってエネルギーを帯びた内側の脂質が外側に「ひっくり返る」ようになり、内側の層を犠牲にして外側の膜層が膨張します。この不均衡に対する簡単な解決策の 1 つは、細胞を 2 つの娘細胞にまとめることです。この挟み込みは、親細胞の中央で発生し、そこでは最も熱く、脂質の動きが最も顕著でした.
小さすぎて熱くない？
この作業は純粋に理論的なものですが、ラボで同様のベシクルを作成し、内部の温度が外部の温度と異なるかどうかを測定することで、実験的にテストできると Attal は述べています。
Wang は、この研究は、脂質膜の非対称性が原始生命に役割を果たしている可能性があることを思い出させるものとして重要であると述べています。しかし、彼女とマクマスター大学の生物物理学者ポール・ヒッグスは、アタルの仮定のいくつかに懐疑的です。彼らは両方とも、細胞とプロトセルが小さいため、最小限の熱しか生成できないことを指摘し、熱が膜を横切って拡散する前に、その温度差が核分裂を促進するのに十分な大きさであるかどうかを疑問視しました.
Wang は、提案されている内膜と外膜の間の脂質の移動についても疑問を持っています。現代の膜では、分子が複雑な構造を持っているため、脂質は内側と外側の間で容易にフリップ フロップしません。それは、初期の生命が使用したと考えられている単純な脂質には当てはまらないかもしれません.科学者が実験室でこれらの化合物からベシクルを作成すると、「ベシクルは狂ったように動き回ります。それを止めることはできません」と彼女は言いました。
ヒッグスは、細胞が桿体であるというアタルの仮定に疑問を呈した。その形状は、膜を強化するために特定のタンパク質を必要としますが、これはプロトセルにはほぼ確実に欠けていました。その結果、棒状ではなく球状になります。
「固い壁がなければ棒の形を維持する方法がわかりません」と彼は言いました。
これらの問題はどちらも、細胞分裂の初期に熱が役割を果たさなかったことを意味するものではなく、Attal の数学的モデルが最も正確ではない可能性があることを意味するだけだと、Wang は言う。それでも、フランスのストラスブール大学の生化学者である Claudia Bonfio は、この論文は初期生命に関する文献に追加されると述べています。私たちは、反応が熱を消費して生成し、それが核分裂などに影響を与える可能性があることを忘れがちです。」
