단백질의 우아한 발레는 현대 세포가 스스로 복제 할 수있게합니다. 세포 분열 동안, 구조 단백질 및 효소는 DNA의 복제, 세포의 세포질 함량의 분열 및 세포를 절단하는 막의 핵심을 조정한다. 이러한 과정을 올바르게 얻는 것은 오류가 비정상적이거나 비전이없는 딸 세포로 이어질 수 있기 때문에 중요합니다.
수십억 년 전, 같은 도전은 무생물 재료로부터 자발적으로 발생하는 최초의 자체 조직 막의 화학 물질에 직면했을 것입니다. 그러나이 프로토 셀은 큰 단백질에 의존하지 않고 거의 확실하게 복제해야했습니다. 그들이 어떻게 생명의 기원을 연구하는 우주 생물 학자와 생화학 자에게 중요한 질문입니다.
“세포의 모든 효소를 삭제하면 아무 일도 일어나지 않습니다. 시드니에있는 뉴 사우스 웨일즈 대학의 우주 생물학자인 Anna Wang은 말했다. "그들은 정말로 안정적이며 그게 일종의 요점입니다."
그러나 최근 생물 물리학 저널 의 최근 논문에서 , 프랑스 과학 산업의 물리학자인 Romain Attal과 파리 공립 병원의 암 생물 학자 Laurent Schwartz는 복제 과정의 중요한 부분을 얼마나 충분히 이끌 수 있었는지 모델링하는 일련의 수학적 방정식을 개발했습니다.
Attal은 초기 생애에서 활성화 된 화학적 및 물리적 과정이 아마도 매우 간단 할 것이라고 생각하며, 따라서 열역학만으로는 인생이 시작되는 방법에 중요한 역할을 할 수 있다고 생각합니다. 그는 자신이 작업 한 기본 방정식의 종류는 인생이 처음 등장한 규칙 중 일부를 설명 할 수 있다고 말했다.
Attal은“온도 그라디언트는 삶에 중요합니다. "주제를 이해한다면 원리를 적어 줄 수 있어야합니다."
핵분열 플리핑
원시 세포가 복잡한 단백질 기계없이 자신을 나누기 위해서는 과정에 물리적 또는 화학적 운전자가 필요했을 것입니다. "이것은 실제로 셀을 기본 기능으로 끌어 내고‘기본 물리적, 화학적 원리는 무엇이며 단백질없이 어떻게 그것을 모방 할 수 있습니까?"라고 Wang은 말했습니다.
과학자들이 여전히 일반적으로 삶의 정의와 프로토 셀의 정의에 동의 할 수 없다고 생각할 때 이러한 과정을 알아내는 것이 더 어려워집니다.
과학자들이 동의하는 것은 프로토 셀이 딸 세포에 전달할 수있는 일종의 유전 적 정보, 화학 반응을 수행하는 신진 대사, 지질 대사 및 지질의 다른 원시 수프에서 무작위로부터 유전성 정보를 분리하는 지질 막을 가지고 있어야한다는 것입니다. 외부 화학 세계는 본질적으로 무작위 였지만, 지질 막에 의해 제공되는 분할은 더 낮은 엔트로피의 영역을 생성 할 수있다.
.프로토 셀이 분열되기 전에 자라려면 세포 내부의 부피뿐만 아니라 주변 막의 표면적을 증가시켜야합니다. 부모 세포와 동일한 총 부피를 가진 2 개의 작은 딸 세포를 생성하는 것은 표면적이 부피에 비해 더 크기 때문에 막에 대한 추가 지질이 필요합니다. 이들 지질의 합성에 연료를 공급하는 데 필요한 화학 반응은 열 형태로 에너지를 줄 것이다.
Attal은 이러한 아이디어를 Schwartz와 논의했을 때,이 에너지가 초기 세포 분열을 주도하기에 충분한 지 궁금해하기 시작했습니다. 연구 문헌의 검색에 따르면 미토콘드리아 (세포의 에너지 센터)는 수십억 년 전에 공생 박테리아로 시작된 세포 에너지 센터가 주변 세포보다 온도가 약간 높다는 연구 결과가 밝혀졌습니다. Attal은 프로토 셀에서 에너지 차이가 생성 될 수 있는지 여부와 핵분열을 구동하기에 적합한 지 여부를 알고 싶었습니다.
그는 일련의 방정식을 스케치하여 무슨 일이 일어나고 있는지 모델링하기 시작했습니다. 그는 프로토 셀이 막대 모양이며 영양소가 확산되고 낭비되는 이중 층 막이 있었고 낭비되는 일련의 가정으로 시작했습니다.
."이것은 매우 거친 모델입니다."라고 그는 말했습니다. "나는 그것이 단일 미분 방정식으로 축소 될 수 있다는 것에 놀랐다."
Attal은 원시적 세포 대사에 의해 생성 된 에너지가 막 내부의 지질을 외부의 지질보다 더 빨리 가열 할 것이라는 것을 깨달았다. 그런 다음 열역학은 에너지가있는 내부 지질이 외부로 "플립"하도록 강제하여 외부 막 층이 내부 층을 희생시키면서 팽창시킬 수 있습니다. 이 불균형에 대한 쉬운 해결책 중 하나는 세포가 두 딸 세포로 함께 꼬집는 것입니다. 이 꼬집음은 부모 세포의 중간에서 발생하며, 가장 뜨겁고 지질 운동이 가장 두드러졌습니다.
뜨거워지기에는 너무 작습니까?
이 작업은 순전히 이론적이지만 Attal은 실험실에서 유사한 소포를 생성하고 내부 온도가 외부 온도와 다른지 여부를 측정하여 실험적으로 테스트 할 수 있다고 말했습니다.
.왕은이 작업이 지질 막의 비대칭이 원시 수명에서 중요한 역할을 할 수 있음을 상기시키는 데 중요하다고 말했다. 그러나 그녀와 McMaster University의 Biophysicist Paul Higgs는 모두 Attal이 만든 가정 중 일부에 회의적입니다. 그들은 세포와 프로토 셀이 작기 때문에 최소한의 열만 생성 될 수 있었고, 열이 막을 가로 질러 확산되기 전에 온도 차이가 핵분열을 구동하기에 충분히 큰지 의문을 제기했다.
.왕은 또한 내부와 외부 막 사이의 지질의 제안 된 움직임에 대해 의문을 가지고있다. 현대의 막에서, 분자에는 복잡한 구조가 있기 때문에 지질은 내부와 외부 사이에 쉽게 플립 플롭하지 않습니다. 그것은 초기 생애가 사용 된 것으로 생각되는 더 간단한 지질의 경우에는 해당되지 않을 수 있습니다. 과학자들이 실험실 에서이 화합물에서 소포를 만들 때“그들은 미친 듯이 움직입니다. 당신은 그것이 일어나는 것을 막을 수 없습니다.”라고 그녀는 말했다.
Higgs는 세포가 막대가 될 것이라는 Attal의 가정에 의문을 제기했습니다. 이러한 형태는 특정 단백질이 막을 강화하기 위해 필요하며, 프로토 셀은 거의 확실하지 않았다. 결과적으로 그들은 막대 모양이 아니라 구형이 될 것입니다.
"나는 당신이 단단한 벽없이 막대 모양을 유지할 수있는 방법을 모르겠다"고 말했다.
이러한 문제 중 어느 것도 열이 초기 세포 분할에서 역할을하지 않았다는 것을 의미하지는 않았으며 Attal의 수학적 모델 만 가장 정확하지 않을 수 있다고 Wang은 말합니다. 그럼에도 불구하고 프랑스 스트라스부르 대학교의 생화학자인 클라우디아 본피오 (Claudia Bonfio)는이 논문은“실험의 좋은 출발점이기 때문에 초기 생애에 관한 문헌에 추가된다고 말합니다. 우리는 종종 반응이 소비하고 열을 발생시켜 핵분열과 같은 것들에 영향을 줄 수 있다는 것을 잊어 버립니다.”
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