모든 살아있는 세포는 막의 한쪽에서 다른쪽으로 에너지 전자를 동원함으로써 스스로 전원을 낳습니다. 이를 달성하기위한 막 기반 메커니즘은 어떤 의미에서 유전자 코드와 같은 삶의 특징입니다. 그러나 유전자 코드와는 달리, 이러한 메커니즘은 어디에서나 동일하지 않습니다. 세포의 가장 간단한 범주 인 박테리아와 고고는 화학적, 구조적으로 다른 에너지를 생산하기위한 막과 단백질 복합체가 있습니다. 이러한 차이로 인해 첫 번째 세포가 어떻게 에너지 요구를 충족시키는 지 추측하기가 어렵습니다.
이 미스터리로 인해 University College London의 진화론 생화학 교수 인 Nick Lane은 삶의 기원에 대한 정통 가설로 이끌었습니다. 작은 장벽에 걸친 전기 화학적 기울기가 자연적으로 발생하는 지질 학적 환경에서 생명이 생겨나면서 우리는 세포가 진화 한 반면 원시적 형태의 신진 대사를 지원하는 경우가 어떻게 될까요? 이것이 가능할 수있는 곳 자체가 제안 될 수있는 곳 :심해 해저의 알칼리성 열수 통풍구, 거의 미네랄 화 된 스폰지와 같은 고도로 다공성 암석 내부.
레인은 다양한 저널 논문 에서이 도발적인 아이디어를 탐구했으며, 그는 The Bivity Question 과 같은 그의 책들 중 일부에서 그것을 다루었습니다. 그는 다음과 같이 썼다. 그는 그의 최신 저서 인 변압기 :생명과 죽음의 깊은 화학 에서 일반 대중에게 더 자세히 설명합니다. . 그의 관점에서, 신진 대사는 삶의 중심이며, 유전자 정보는 다른 방식보다는 자연스럽게 나온다. 레인은이 역전의 영향이 암의 성질과 노화를 포함하여 생물학의 거의 모든 큰 미스터리를 만지고 있다고 생각합니다.
레인의 이론은 여전히 생명의 기원 분야에서 많은 사람들 중 하나 일뿐입니다. 대부분의 과학자들은 생명이 RNA와 다른 분자의 자기 복제 혼합물로 시작되었고 햇빛에 의해 양육되는 지구 표면에서 또는 근처에서 발생했다는 이론을지지한다. 최근 수십 년 동안 도가니로서의 열수 통풍구에 대한 연구는 최근 수십 년 동안 호황을 누 렸지만, 그중 일부는 해저의 깊은 통풍구가 아니라 담수에서 화산 통풍구를 선호합니다. 그럼에도 불구하고 레인의 설명은 삶의 시작 방법에 대한 모든 질문에 답하지는 않지만 단백질 및 기타 필수 생체 분자의 에너지 집약적 합성이 어떻게 발생했는지에 대한 어려운 문제를 해결합니다.
에너지의 필요성에 대한 연구가 어떻게 생명의 진화에 영향을 미치고 제한했는지에 대한 연구는 항상 과학자로서의 레인의 경력의 중심 주제 (동료 검토 저널에 100 개가 넘는 논문과 과학 작가)와 과학 작가입니다. 레인은 생명 과학에 기여한 2015 년 생화학 학회 상을 수상했으며 2016 년 런던 왕립 학회는 그에게 과학을 대중에게 의사 소통하는 우수성에 대한 마이클 파라데이 상을 수상했습니다.
.Quanta 최근에 화상 회의를 통해 런던에있는 그의 집에서 레인과 대화를 나 spoke습니다. 인터뷰는 명확성을 위해 압축되고 편집되었습니다.
귀하의 책은 에너지와 물질의 흐름이 삶의 진화를 구조화하고 신진 대사 이라고 주장합니다. “ 유전자를 존재하게 만듭니다. ” 유전자 정보가 아닌 신진 대사를 생각하는 가장 강력한 이유는 무엇입니까?
“정보 우선”에 대한 순수한 관점은 RNA 세계이며, 환경의 일부 과정은 뉴클레오티드를 만들고 뉴클레오티드는 중합체 사슬에 연결되는 과정을 통과합니다. 그런 다음 우리는 RNA 인구를 보유하고 있으며, 반응을 촉매하고 스스로 복사 할 수 있기 때문에 모든 것을 발명합니다. 그러나 RNA는 어떻게 모든 신진 대사, 세포, 공간 구조 등을 발명 했습니까? 오늘날에도 유전자는 실제로 그렇게하지 않습니다. 세포는 세포에서 나오고 유전자는 타기 위해 따라갑니다. 그렇다면 왜 유전자가 처음에 그것을할까요?
그리고 그들은 어떻게할까요? 생화학 적 경로에는 10 단계가 있다고 가정 해 봅시다. 그리고 한 단계 그 자체로는 그다지 많이 사용되지 않는다고 가정 해 봅시다. 경로의 모든 제품은 진화하는 데 유용해야합니다. 그렇지 않습니다. 단일 경로조차도 진화하기가 너무 어려워 보입니다.
대안은 무엇입니까?
대안은 이러한 것들이 유리한 조건에서 자발적으로 발생하며, 하나의 중간체에서 다음 중간체로 전체 경로 아래로 매우 적은 양의 상호 연결을 얻는다는 것입니다. 그다지 많지 않으며 효소 촉매 반응에 비해 빠르지는 않지만 거기에있을 것입니다. 그런 다음 유전자가 나중 단계에서 발생하면 이러한 단계 중 하나를 촉매 할 수있어 전체 경로의 속도를 높이는 경향이 있습니다.
따라서 문제가 훨씬 쉬워집니다. 그러나이 경로의 모든 화학이 선호되어야한다는이 불안한 예측을 만듭니다. 그리고 당신은 다른 경로와 다른 경로의 경우, 생화학의 핵심이 유전자가 없을 때 열역학적으로 선호되는 것이 점점 무서운 제안이된다고 말합니다.
.6 ~ 7 년 전, 이것은 실제로 증거가 없었기 때문에 유지하기 쉬운 입장이 아니 었습니다. 그러나 그 이후로, 이들 경로 중 적어도 3-4 개가 실험실에서 자발적으로 낮은 수준에서 발생하는 것으로 입증되었습니다. 모든 경로가 완료된 것은 아니지만 중간 단계가 발생합니다. 그것은 우리가 이미 아주 정교한 프로토 메트 대사를 가졌던 세상에서 유전자가 존재한다고 말하는 것은 불합리한 입장이 아닌 것처럼 보이기 시작합니다.
원자 대사가 심해 열수 통풍구에서 어떻게 진화했는지에 대해 이야기합시다. 탄수화물, 지방 및 단백질에서 에너지를 도출하는 대사 과정 인 Krebs Cycle이라고 부르는 것의 시작을 선호한다고 생각하게하는 통풍구 환경에서 무엇입니까?
수소와 이산화탄소는 생명이 시작되는 것으로 시작하겠습니다. 삶은 어떻게 그들을 반응하게합니까? 미토콘드리아와 특정 박테리아에서 볼 수 있듯이, 생명은 막에 전하를 사용하여 수소에서 전자를 페레 독신과 같은 철 황 단백질로 전달합니다. 고대 단백질의 중심부에 철 이온과 황 이온 의이 작은 클러스터는 작은 미네랄과 같습니다. 이 미네랄을 열수 통풍구에 넣고 이산화탄소와 수소도 얻을 수 있으며 전기 전하가있는 다공성 암석에 얇은 장벽이 있습니다.
.문제는 :통풍구 의이 구조는 이산화탄소와 수소 사이의 반응을 효과적으로 주도합니까? 그리고 우리가 실험실에서 작년 또는 2 년 동안 찾은 대답은 그렇습니다. 우리는 많은 것을 얻지 못하지만 프로세스를 최적화하기 시작하면서 더 많은 점수를 받고 있으며, 생산되는 것은 Krebs Cycle Intermediates입니다. 그리고 약간의 질소를 넣으면 생명이 사용하는 것과 동일한 아미노산을 얻습니다.
따라서이 화학은 열역학적으로 선호됩니다. 이 첫 번째 단계는 다시 정리되어 있지만 열수 통풍구의 전기 전하는 첫 번째 단계의 장벽을 낮추는 것처럼 보이므로 나머지는 발생할 수 있습니다. 사실상, 당신이 가진 것은이 전기 화학 반응을 겪고있는 열수 유체의 지속적인 흐름으로, 환경의 가스를보다 유기적 인 분자로 변환하여 세포와 같은 모공으로 껴안고 세포와 같은 엔티티로 구조화하고 더 많은 것을 만들 수 있습니다. 그것은 매우 거친 성장의 형태이지만 그런 의미에서 생생한 것입니다.
그러나이 첫 번째 프로토 세포는 어떻게 열수 통풍구에서 무료로 얻은 양성자 구배와 독립적이 되었습니까?
이것의 많은 부분은 여전히 투기 적이지만 대답은 유전자가 독립적이어야한다는 것 같습니다. 그리고 이것은 근본적인 질문입니다. 유전자는 언제 어디서 들어오고 있습니까?
이론적으로, RNA의 무작위 서열을 소개하고 거기에있는 뉴클레오티드가 중합 될 수 있다고 가정하면 뉴클레오티드의 사슬이 거의 없습니다. 7 ~ 8 개의 임의의 문자가 길고 정보가 포함되어 있지 않다고 가정 해 봅시다. 이것이 실제로 당신을 도울 수있는 두 가지 방법이 있습니다. 하나는 더 많은 RNA를위한 템플릿 역할을한다는 것입니다. 해당 시퀀스에 정보가 없더라도 동일한 시퀀스의 정확한 사본을 템플릿 할 수 있습니다. 그러나 원칙적으로 할 수있는 두 번째 일은 아미노산의 주형 역할을합니다. 아미노산과 RNA의 문자 사이에 비특이적 생물 물리적 상호 작용의 패턴이 있습니다. 소수성 아미노산은 소수성 염기와 상호 작용할 가능성이 높습니다.
따라서 비 랜덤 펩티드를 생성하는 임의의 RNA 서열이 있습니다. 그리고 비 랜덤 펩티드는 우연히 성장하는 프로토 세포에서 일부 기능을 가질 수 있습니다. 그것은 세포가 더 나은 자라거나 더 나빠질 수 있습니다. RNA가 자체 복제하는 데 도움이 될 수 있습니다. 보조 인자에게 결합 할 수 있습니다. 그런 다음 해당 펩티드와 RNA 서열에 대한 선택이 있습니다. 매우 기초적인 시스템이지만, 이것은 우리가 방금 유전자, 정보 및 자연 선택의 세계에 들어갔다는 것을 의미합니다.
우리는 정보가없는 시스템에서 시스템 자체가 거의 변경되지 않은 정보가있는 시스템으로 갔다. 우리가 한 일은 무작위 RNA를 소개하는 것입니다. 이제 사실입니까? 그들은 가장 아름다운 아이디어를 못생긴 사실로 죽일 수 있다고 말합니다. 그리고 그것은 사실이 아닐 수도 있지만, 그것이 사실이 아니라고 믿을 수없는 높은 설명 적 힘을 가지고 있습니다.
따라서 열수 통풍구에서 우리는 Krebs 사이클 중간체를 얻습니다. 그러나 그들은 어떻게주기로 어떻게 함께 했습니까? 이것이 선형 반응 체인이 아닌 사이클 역할을하는 것이 중요합니까?
우리는 종종 동일한 에너지 생성 반응을 반복해서 수행하는 Krebs 사이클에 중점을 둡니다. 그러나 Krebs 사이클은 양방향으로 작동 할 수 있습니다. 우리의 미토콘드리아에서, 그것은 중간 분자에서 이산화탄소와 수소를 제거하여 에너지를 위해 막에서 전하를 생성합니다. 그러나 많은 고대 박테리아에서는 정확히 반대입니다. 막의 전하를 사용하여 이산화탄소 및 수소와의 반응을 유도하여 중간체를 만들어 성장에 필요한 아미노산을 만들기위한 전구체가됩니다.
.그리고 그것은 고대 박테리아뿐만 아니라 우리의 세포는 여전히 생합성에 Krebs 사이클을 사용합니다. 우리는 1940 년대 이래로 Krebs 사이클이 때때로 세포에서 뒤로 뻗을 수 있으며, 중간 분자는 때때로 아미노산을 만드는 전구체로 사용된다는 것을 알고 있습니다. 우리의 미토콘드리아는 세포의 필요에 따라 에너지 생성 및 생합성의 두 가지 반대 과정의 균형을 맞추고 있습니다. 이것에 대한 음과 양이 있습니다.
Krebs 사이클은 처음 발견 된 비둘기의 비행 근육과 같이 가장 활기 넘치는 세포를 제외하고는 실제로 진정한 주기로 작동하지 않았습니다. 대부분의 세포에서 Krebs 사이클은 사이클보다 원형 교차로와 비슷하며 다른 지점에서 사물이 들어오고 나가는 것입니다. 그리고 그것은 양방향으로 갈 수있는 원형 교차로이므로 지저분합니다.
산소의 상승은 어떻게 대사 플럭스의 선호하는 방향과 제 1 다세포 동물의 진화에 어떻게 연결되어 있었습니까?
첫 번째 동물은 산소 수준이 실제로 많은 시간이 적었을 때 진화 한 것 같습니다. 그들은 하수구의 가스처럼 황화물로 가득 찬 진흙으로 기어 갔다. 이 초기 벌레는 크롤링하기 위해 약간의 산소가 필요했지만,이 황화물을 해독하고 환경에서 많은 이산화탄소를 다루어야했습니다.
.당신이 할 수있는 유일한 방법은 다른 일을하는 다른 유형의 조직을 갖는 것입니다. 크롤링하자마자 근육이 필요하고 호흡기 시스템이 필요합니다. 그것은 두 가지 다른 유형의 조직이며, 그 중 하나는 산소를 유지하고 필요할 때 제공 해야하는 반면, 다른 하나는 산소가 없을 때 작동하려고합니다. 그들은 Krebs주기를 통해 다른 플럭스와 함께 다른 방식으로 생화학을해야합니다. 한 번에 두세 가지 일을해야합니다.
대조적으로, Ediacaran 동물원이라고 불리는이 신비한 단순한 유기체 그룹이있었습니다. 그들은 바다에서 약 200m 깊이 살았으며 약 5 억 5 천만 년 전에 환경의 산소 수준이 떨어지기 직전에 캘리포니아 폭발 직전에 멸종되었습니다. Ediacaran 동물 군은 조직 분화가 많지 않았으며 한 번에 생화학 적으로 한 가지만 할 수있었습니다. 캄브리아기 직전에 산소 수준이 떨어지면 새로운 환경에 적응할 수 없었습니다.
그러나 여러 조직이있는 즉시 동시에 일을 할 수 있습니다. 이 조직의 조직이 그 조직이하는 일과 균형을 잡을 수 있습니다. 에너지와 생합성을 동시에 동시에 똑같이 쉽게 할 수는 없습니다. 하나 또는 다른 것을 수행하는 것이 더 쉽습니다. 그런 종류의 다른 조직에서 다른 신진 대사를 강요합니다.
따라서 조직 분화는“이것은 간이 될 것”또는“이것은 긴장된 조직이 될 것”이라고 말하는 유전자를 갖는 것에 관한 것이 아닙니다. 그것은 전에 불가능했던 생활 방식을 허용하고, 첫 번째 벌레는 다른 모든 것을 죽이는 나쁜 조건을 겪을 수있었습니다. 그 후에 캄브리아기 폭발이 일어났다. 산소 수준이 마침내 상승했을 때, 여러 조직을 가진이 영광스러운 벌레는 갑자기 도시에서 유일한 쇼였습니다.
이것은 암에 대한 당신의 아이디어 중 일부와 관련이 있습니다. 1970 년대 이래로 암 치료 및 예방을 위해 노력하는 대부분의 생물 의학 설립은 종양 유전자에 집중했습니다. 그러나 당신은 암이 신진 대사 질병만큼 게놈 질환이 아니라고 주장합니다. 이유를 설명해 주시겠습니까?
약 10 년 전, 암 공동체는 일부 암에서 돌연변이가 크레브 스클의 일부가 뒤로 달리는 부분으로 이어질 수 있다는 발견에 놀랐습니다. Krebs 사이클은 일반적으로 에너지를 생성하기 위해 앞으로 회전하는 것으로 가르쳐지기 때문에 매우 충격을 받았습니다. 그러나 암 세포는 에너지가 필요하지만 실제로 필요한 것은 성장을위한 탄소 기반 빌딩 블록입니다. 그래서 종양학의 전체 분야는 Krebs 사이클의 이러한 반전이 암 세포가 성장하는 데 도움이되는 일종의 대사 재배선으로보기 시작했습니다.
이 발견은 또한 암 세포가 주로 호기성 당분 해에 의해 성장한다는 사실을 재 해석했습니다. 사실상, 암 세포는 호흡을 위해 미토콘드리아의 산소 연소에서 산소가있는 경우에도 효모 세포와 같은 에너지 발효로 전환합니다. 오토 워 버그 (Otto Warburg)가 거의 100 년 전에이 보고서를보고했을 때, 그는 에너지 측에 집중했다. 그러나 암 공동체는 이제 이러한 변화가 성장에 관한 것이라고보고 있습니다. 에너지를 위해 호기성 당분 해로 전환함으로써 암 세포는 다른 목적으로 미토콘드리아를 제거합니다. 암 세포는 생명의 빌딩 블록을 만들기 위해 생합성 미토콘드리아가 있습니다.
암에 종양 유전자 돌연변이가 보이는 것은 사실입니다. 그러나 암은 단순히 세포가 멈추지 않고 성장하도록 강요하는 유 전적으로 결정적 돌연변이에 의해 발생하지 않습니다. 신진 대사는 성장을위한 허용 환경을 제공하기 위해서도 중요합니다. 이러한 의미에서 성장은 유전자보다 먼저옵니다.
돌연변이가 축적되지 않으면 나이가 들어감에 따라 암에 더 취약한 이유는 무엇입니까?
Krebs주기를 느리게하는 호흡 손상은 생합성으로 되돌릴 가능성이 높다고 생각합니다. 우리가 나이가 들고 모든 종류의 세포 손상을 축적함에 따라, 우리의 신진 대사 의이 중심 부분은 아마도 뒤로 물러나거나 효과적으로 진행하지 않을 가능성이 더 높습니다. 그것은 우리가 에너지가 적을 것이라는 것을 의미합니다. 그것은 우리가 유기 분자로 다시 숨을 내밀어 이산화탄소를 돌리기 시작하기 때문에 체중을 늘리기 시작한다는 것을 의미합니다. 우리는 그런 종류의 성장에 걸리기 쉬운 신진 대사가 있기 때문에 암과 같은 질병의 위험이 증가합니다.
Gerontology Community는이 라인을 따라 10 년에서 20 년 동안 이야기 해 왔습니다. 연령 관련 질병의 가장 큰 위험 인자는 돌연변이가 아닙니다. 늙었습니다. 우리가 노화의 근본적인 과정을 해결할 수 있다면, 대부분의 연령 관련 질병을 치료할 수 있습니다. 여러면에서 단순하게 단순한 것 같습니다. 우리는 갑자기 120 또는 800으로 갑자기 살 것입니까? 조만간 일어나는 일이 보이지 않습니다. 그러나 문제는 왜 그렇지 않습니까?
왜 나이가 들어 있습니까? 장착 셀룰러 손상의 원인은 무엇입니까?
우리는 지난 5-6 년 동안 Krebs 사이클 중간체가 강력한 신호라는 것을 발견했습니다. 따라서주기가 느려지고 뒤로 가기 시작하면, 우리는 중간체를 축적하기 시작하고, Succinate와 같은 것들이 미토콘드리아에서 피를 흘리기 시작합니다. 그들은 수천 개의 유전자를 켜고 끄고 세포의 후성 유전 학적 상태를 바꿉니다. 노화는 신진 대사 상태를 반영합니다.
우리는 신진 대사가 신체의 모든 단일 세포에서 2 초, 2 초 후 2 천억 반응을 포함한다는 것을 잊어 버린 경향이 있습니다. Krebs 사이클의 핵심을 포함하여 이러한 모든 경로에서 지속적으로 변형되는 분자의 부피는 압도적입니다. 그것은 불가피한 반응의 강입니다. 우리는 그 흐름을 뒤집을 수는 없지만 은행들 사이에서 더 잘 채널을 만들기를 희망 할 수 있습니다.
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