액 적을 나누면 삶의 기원을 설명 할 수 있습니다

독일의 물리학 자와 생물 학자들의 협력은 액체 액 적을 초기 지구의 원시 수프에서 살아있는 세포로 진화시킬 수있는 간단한 메커니즘을 발견했습니다.

원산지 연구자들은이 아이디어의 미니멀리즘을 칭찬했습니다. 이 연구에 관여하지 않은 옥스포드 대학교의 이론 물리학 교수 인 라민 골 레타니아 (Ramin Golestanian)는“생명 형성의 일반적인 현상학은 생각보다 훨씬 쉽다”고 제안하는 큰 성과라고 말했다.

생명의 기원에 대한 중심적인 질문은 원시 전구체에서 첫 번째 세포가 어떻게 발생했는지였습니다. “프로토 셀”이라는 전구체는 무엇이며 어떻게 살아 났습니까? “막 최초”가설의 지지자들은 생명의 화학 물질을 상관시키고 생물학적 복잡성을 배양하기 위해 지방산성 막이 필요하다고 주장했다. 그러나 막만큼 복잡한 것이 어떻게 자체 복제되고 확산되기 시작하여 진화가 그것에 행동 할 수 있습니까?

1924 년, 러시아 생화학자인 알렉산더 오 파린 (Alexander Oparin)은 생명의 겸손한 시작의 원천으로 뜨겁고 끔찍한 원시 수프를 처음 구상했으며, 미스터리 프로토 셀은 화학 물질을 집중시키는 자연적으로 형성되는 막이없는 용기 일 수 있다고 제안했다. 최근 몇 년 동안, 액 적은 현대 세포 내에서 다양한 필수 기능을 수행하는 것으로 밝혀졌으며, 진화 역사에서의 역할에 대한 오파린의 오랫동안 잊혀진 추측을 되살렸다. 그러나 그와 다른 사람은 물방울이 어떻게 증식, 성장 및 나누고, 그 과정에서 첫 번째 세포로 진화했을 수있는 방법을 설명 할 수 없었습니다.

이제 복잡한 시스템의 물리학을위한 Max Planck Institute의 David Zwicker와 공동 작업자의 새로운 작업은 Dresden의 Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics의 답변을 제안합니다. 과학자들은 주변 유체 안팎으로 화학 물질을 순환하는“화학적으로 활성”액 적의 물리학을 연구했으며,이 액 적은 세포와 마찬가지로 세포 크기로 자라는 경향이 있음을 발견했습니다. 이 "활성 액적"행동은 물 속의 오일 액 적의 수동적이고 친숙한 경향과 다릅니다.

화학적으로 활성 액 적을 자신의 협정의 세트 크기로 자랄 수 있다면, Dresden의 생물 물리학 자이자 새로운 논문의 공동 저자 인 Frank Jülicher는 말했다.

자연 물리학에서보고 된 결과 지난 달, 하버드 대학교 (Harvard University)의 박사후 연구원 인 Zwicker는 지난달“세포가 어떻게 딸을 만들었는지”를 설명함으로써 인생의 시작에 대한 가능한 그림을 그렸습니다. "물론 진화에 대해 생각하고 싶다면 이것은 핵심입니다."

네덜란드의 라이덴 대학교 (Leiden University)의 이론적 생물 물리학자인 루카 지오미 (Luca Giomi)는 생명의 기원 뒤에있는 가능한 물리적 메커니즘을 연구하는 새로운 제안은“매우 유망한 방향”이라고 불렀던 프로토 셀 분할의 다른 메커니즘보다 훨씬 간단하다고 말했다.

그러나 캘리포니아 대학교 산타 크루즈 (Santa Cruz)의 생화학 자이자 막 최초의 가설의 오랜 챔피언 인 데이비드 디머 (David Deamer)는 드롭 렛 디비전의 새로운 메커니즘이 흥미롭지 만 생명의 기원과의 관련성은 여전히 ​​남아 있다고 주장한다. 그는이 메커니즘은 현대 세포가 나누는 복잡한 다단계 과정에서 멀리 떨어져있다.

단순한 나누기 액 적을 아모바에서 얼룩말에 이르기까지 현대 생활의 끔찍한 수치로 진화했을 수 있습니까? 새로운 작품에 익숙한 물리학 자와 생물 학자들은 그럴듯하다고 말합니다. 다음 단계로서, Dresden에서 실험은 살아있는 세포에서 발견 된 액 적을 모델로 한 합성 중합체로 만든 활성 액 적의 성장과 분열을 관찰하려고 노력하고있다. 그 후, 과학자들은 같은 방식으로 나누는 생물학적 액 적을 관찰하기를 희망합니다.

프린스턴 대학교의 생물 물리학자인 Clifford Brangwynne은 8 년 전 최초의 세포 내 액적을 확인한 드레스덴 기반 팀의 일원이었다. 엘레 간스 - 이것이 진화 역사의 흔적이라면 놀라운 일이 아니라고 설명했다. 미토콘드리아와 마찬가지로, 자신의 DNA를 가진 소기관은 고대 박테리아에서 나왔고, 세포를 감염시키고 그들과 공생 관계를 발전시킨 고대 박테리아에서 나왔고,“살아있는 세포에서 볼 수있는 응축 된 액체 단계는 비슷한 의미에서, 처음에 세포를 세우는 데 도움이되는 물리 화학적 주동력의 일종의 화석 기록을 반영 할 수있다”고 그는 말했다.

“이 자연 물리학 Brangwynne은 덧붙였다.

드레스덴의 액적

드레스덴 액적 발견은 2009 년에 Brangwynne과 Collaborators가 c에서 "p granules"로 알려진 작은 점의 본질을 시연했을 때 시작되었습니다. 엘레 간스 정자 및 난 세포로의 분열을 겪는 생식선 세포. 이 분할 과정에서 연구원들은 P 과립이 확산을 통해 세포를 가로 질러 자라서 수축하며 이동하는 것을 관찰했습니다. science 에서보고 된 액체 액 적이라는 발견 , 다른 세포 내 구조가 또한 물방울로 식별 되었기 때문에 활성의 물결을 자극했다. Oparin의 1924 Protocell 이론과 연결하기 위해 초기 실험이 발생한 Dresden Biology Lab의 책임자 인 Brangwynne과 Tony Hyman이 오래 걸리지 않았습니다. Oparin의 삶과 정상 책에 대한 2012 년 에세이에서 The Origin of Life , Brangwynne과 Hyman은 자신이 이론화 한 액 적은“생명의 진화하는 앰버의 파리처럼 여전히 살아 있고 잘 살아있을 수 있습니다.”

Oparin은 초기 지구에서 번개 파업이나 지열 활동이 생명에 필요한 유기 거대 분자의 합성을 유발할 수 있다고 가정했다. 이 거대 분자의 액체 응집체가 프로토 셀로 작용했을 수 있다는 Oparin의 또 다른 아이디어는 부분적으로 드롭이 어떻게 재현되었는지에 대한 단서가 없었기 때문에 진화를 가능하게했기 때문에 덜 유명했습니다. P Granules를 연구하는 Dresden 그룹은 알지 못했습니다.

그들의 발견 이후, Jülicher는 그의 새로운 학생 인 Zwicker를 배정했다. Zwicker는 중심체를 화학적으로 활성화되고 지속적으로 지속적으로 순환하는 구성 단백질이 주변 액체 세포질로 내 및 외부인 "평형 외"시스템으로 모델링했습니다. 그의 모델에서,이 단백질에는 두 가지 화학 상태가 있습니다. 상태 A의 단백질은 주변 액체에 용해되는 반면, 상태 B의 단백질은 불용성이며, 액적 내부에서 집계한다. 때때로, 상태 B의 단백질은 자발적으로 상태 A로 전환하여 액적에서 흘러 나옵니다. 에너지 원은 역 반응을 유발하여 상태 A의 단백질이 화학적 장벽을 극복하고 상태 B로 변형 될 수 있습니다. 이 불용성 단백질이 액적에 부딪 치면 웅덩이의 빗방울처럼 쉽게 내부를 느낄 수 있습니다. 따라서 에너지 원이있는 한 분자는 활성 액적 안팎으로 흐릅니다. Jülicher는“초기 지구의 맥락에서 햇빛은 원동력이 될 것입니다.

Zwicker는 활성 액적이 특정 부피에 도달하면이 화학 물질 유입 및 유출이 서로 균형을 맞출 것이라는 사실을 발견했습니다. Zwicker의 시뮬레이션의 전형적인 액 적은 특성에 따라 세포의 규모에 따라 수십 또는 수백 미크론으로 증가했습니다.

다음 발견은 훨씬 더 예상치 못한 일이었습니다. 활성 액 적이 안정적인 크기를 가지지 만 Zwicker는 모양과 관련하여 불안정하다는 것을 발견했습니다. B 분자의 잉여가 표면의 한 부분에 액적으로 들어가서 해당 방향으로 약간의 팽창을 일으킬 때, 더 많은 분자가 더 많은 분자가 내부에 차이가있을 수 있으므로 부풀어 오르는 추가 표면적이 추가로 증가 할 수 있습니다. 액적은 표면적이 낮은 가운데에서 더 길게 늘어나고 꼬집음이 있습니다. 결국, 그것은 한 쌍의 액 적으로 나뉘어 특성 크기로 자랍니다. Jülicher는 Zwicker의 방정식의 시뮬레이션을 보았을 때“그는 즉시 뛰어 내려``디비전과 매우 흡사 해 보입니다.”라고 Zwicker는 말했습니다. "그리고이 전체 프로토 셀 아이디어가 빨리 나타났습니다."

Zwicker, Jülicher 및 그들의 공동 작업자 인 Rabea Seyboldt, Christoph Weber 및 Tony Hyman은 향후 3 년간 이론을 발전시켜 Oparin의 비전을 확장했습니다. Zwicker는“Oparin과 같은 액적에 대해 생각한다면 진화가 어떻게이 액 적으로 어떻게 행동 할 수 있는지는 확실하지 않습니다. "진화를 위해서는 약간의 수정으로 자신의 사본을 만들어야하며 자연 선택은 상황이 어떻게 복잡해 지는지 결정합니다."

Globule 조상

지난 봄, Jülicher는 Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics의 생물학 연구소 책임자 인 Dora Tang과 회의를 시작하여 활동적인 행동을 관찰하려는 계획에 대해 논의했습니다.

Tang의 실험실은 생화학 적 분자와 유사한 중합체, 지질 및 단백질로 만든 인공 세포를 합성합니다. 향후 몇 개월 동안, 그녀와 그녀의 팀은 P 과립 및 중심체의 단백질과 물리적으로 유사한 폴리머로 만든 액체 액 적의 분할을 찾을 것입니다. Hyman 's Lab과 공동으로 수행 될 다음 단계는 중심체 또는 기타 생물학적 물방울을 분할하고 Zwicker 및 동료가 식별 한 메커니즘을 사용하는지 확인하는 것입니다. 라이덴 생물 물리학자인 지오미 (Giomi)는“이것은 큰 일이 될 것입니다.

막 우선 지지자 인 Deamer가 새 논문을 읽었을 때, 그는 한때 유도선에서 추출한 탄화수소 액 적의 예측 된 행동과 같은 것을 관찰했다고 회상했다. 그가 근처의 무트라 볼렛 빛으로 액 적을 비추면서 움직이고 나누기 시작했습니다. (그는 현상의 영상을 Jülicher에게 보냈습니다.) 그럼에도 불구하고 Deamer는 그 효과의 중요성을 확신하지 못합니다. "살아있는 세포가 실제로 나누는 복잡한 과정으로 진화하는 것으로보고 된 분열 메커니즘에는 명백한 방법이 없다"고 그는 말했다.

Tang을 포함한 다른 연구자들은 동의하지 않습니다. 그녀는 일단 액 적이 분열되기 시작하면 유전자 정보를 전달하는 능력을 쉽게 얻을 수 있었으며, 본질적으로 단백질 코딩 RNA 또는 DNA를 딸 세포에 대해 동일한 소포로 나누었다. 이 유전자 물질이 액적 분할의 속도를 증가시키는 유용한 단백질을 코딩 한 경우 자연 선택은 행동을 선호합니다. 햇빛과 엔트로피가 증가하는 법칙에 의해 촉진 된 프로토 셀은 점차 더 복잡해 졌을 것입니다.

Jülicher와 동료들은 길을 따라 어딘가에 Protocell 드롭이 막을 획득 할 수 있다고 주장합니다. 물방울은 자연적으로 액 적과 주변 액체 사이의 계면에서 누워있는 지질의 빵 껍질을 수집합니다. 어떻게 든, 유전자는 이러한 막을 일종의 보호로 코딩하기 시작했을 수 있습니다. 그는이 아이디어가 Deamer에게 넣었을 때“나는 그것과 함께 갈 수있다”고 말했다.

물론 원시적 인 플롯 라인은 미래의 실험의 결과에 달려 있으며, 이는 예측 된 액적 분할 메커니즘이 실제로 얼마나 강력하고 관련성이 있는지 결정할 것입니다. 이론을 설명하기 위해 올바른 두 상태 A와 B 상태에서 화학 물질을 찾을 수 있습니까? 그렇다면, 생명이없는 삶에서 인생으로의 실행 가능한 길이 집중되기 시작합니다.

Jülicher의 견해로는 전체 과정의 가장 운이 좋은 부분은 액 적이 세포로 바뀌는 것이 아니라 첫 번째 액적 (우리의 Globule 조상)이 시작되기 시작했다는 것이 었습니다. 방울은 자발적으로 발생하거나 "핵 생성"을 위해 많은 화학 물질이 필요하며, 올바른 복잡한 거대 분자 중 많은 사람들이 어떻게 원시 수프에 축적되어 어떻게 그렇게 할 수 있었는지 불분명합니다. 그러나 Jülicher는 다시 수프가 많았고 Eons를 위해 조림하고 있다고 말했습니다.

“매우 드문 행사입니다. 당신은 그것이 일어날 때까지 오랫동안 기다려야한다”고 말했다. "그리고 일단 일어나면 다음 일은 더 쉽고 체계적으로 발생합니다."