Στην αυγή της ζωής, η θερμότητα μπορεί να έχει οδηγήσει την κυτταρική διαίρεση

Ένα κομψό μπαλέτο πρωτεϊνών επιτρέπει στα σύγχρονα κύτταρα να αναπαράγονται. Κατά τη διάρκεια της κυτταρικής διαίρεσης, οι δομικές πρωτεΐνες και τα ένζυμα συντονίζουν τον διπλασιασμό του DNA, τη διαίρεση των κυτταροπλασματικών περιεχομένων ενός κυττάρου και το τσούξιμο της μεμβράνης που διασπά το κύτταρο. Η σωστή εφαρμογή αυτών των διαδικασιών είναι ζωτικής σημασίας, επειδή τα σφάλματα μπορεί να οδηγήσουν σε θυγατρικά κύτταρα που είναι μη φυσιολογικά ή μη βιώσιμα.

Πριν από δισεκατομμύρια χρόνια, η ίδια πρόκληση πρέπει να αντιμετώπισε τις πρώτες αυτό-οργανωμένες μεμβρανώδεις δέσμες χημικών ουσιών που προέρχονται αυθόρμητα από άψυχα υλικά. Αλλά αυτά τα πρωτοκύτταρα σχεδόν σίγουρα έπρεπε να αναπαραχθούν χωρίς να βασίζονται σε μεγάλες πρωτεΐνες. Το πώς το κατάφεραν είναι ένα βασικό ερώτημα για τους αστροβιολόγους και τους βιοχημικούς που μελετούν την προέλευση της ζωής.

«Αν διαγράψετε όλα τα ένζυμα στο κύτταρο, δεν συμβαίνει τίποτα. Είναι απλώς αδρανείς σάκοι», λέει η Anna Wang, αστροβιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Νέας Νότιας Ουαλίας στο Σίδνεϊ. "Είναι πραγματικά σταθερά, και αυτό είναι το θέμα."

Ωστόσο, σε μια πρόσφατη εργασία στο Biophysical Journal , ο Romain Attal, φυσικός στο City of Science and Industry στη Γαλλία, και ο καρκινοβιολόγος Laurent Schwartz των Δημόσιων Νοσοκομείων του Παρισιού ανέπτυξαν μια σειρά από μαθηματικές εξισώσεις που μοντελοποιούν πώς η θερμότητα από μόνη της θα μπορούσε να ήταν αρκετή για να οδηγήσει ένα σημαντικό μέρος της αναπαραγωγής διεργασία:η σχάση ενός πρωτοκυττάρου σε δύο.

Ο Attal πιστεύει ότι οι χημικές και φυσικές διεργασίες που ενεργούσαν στην πρώιμη ζωή ήταν πιθανώς πολύ απλές και ότι η θερμοδυναμική από μόνη της θα μπορούσε επομένως να παίξει σημαντικό ρόλο στο πώς ξεκίνησε η ζωή. Είπε ότι τα είδη των βασικών εξισώσεων που έχει δουλέψει θα μπορούσαν να εξηγήσουν ορισμένους από τους κανόνες που διέπουν τον τρόπο με τον οποίο πρωτοεμφανίστηκε η ζωή.

«Οι διαβαθμίσεις της θερμοκρασίας είναι σημαντικές για τη ζωή», είπε ο Attal. "Αν καταλαβαίνετε ένα θέμα, πρέπει να είστε σε θέση να γράψετε τις αρχές του."

Flipping for Fission

Για να διαιρεθούν τα πρωτόγονα κύτταρα χωρίς πολύπλοκο μηχανισμό πρωτεΐνης, η διαδικασία θα χρειαζόταν έναν φυσικό ή χημικό οδηγό. «Πρόκειται πραγματικά για την απογύμνωση ενός κυττάρου στις βασικές του λειτουργίες και τη σκέψη, «Ποιες είναι οι βασικές φυσικές και χημικές αρχές και πώς μπορούμε να το μιμηθούμε χωρίς πρωτεΐνες;» είπε ο Wang.

Η κατανόηση αυτών των διεργασιών γίνεται πιο δύσκολη αν σκεφτεί κανείς ότι οι επιστήμονες δεν μπορούν ακόμη να συμφωνήσουν σε έναν ορισμό της ζωής γενικά και των πρωτοκυττάρων ειδικά.

Αυτό στο οποίο συμφωνούν οι επιστήμονες είναι ότι τα πρωτοκύτταρα πρέπει να είχαν κάποιο είδος κληρονομήσιμων πληροφοριών που θα μπορούσαν να περάσουν στα θυγατρικά κύτταρα, έναν μεταβολισμό που πραγματοποιούσε χημικές αντιδράσεις και μια λιπιδική μεμβράνη που απομονώνει τον μεταβολισμό και τις κληρονομικές πληροφορίες από την τυχαιότητα στα υπόλοιπα γήινα κύτταρα. αρχέγονη σούπα. Ενώ ο εξωτερικός χημικός κόσμος ήταν εγγενώς τυχαίος, η κατανομή που παρέχεται από τη λιπιδική μεμβράνη θα μπορούσε να δημιουργήσει μια περιοχή χαμηλότερης εντροπίας.

Για να αναπτυχθεί ένα πρωτοκύτταρο πριν διαιρεθεί, θα πρέπει να αυξήσει όχι μόνο τον όγκο μέσα στο κύτταρο αλλά και την επιφάνεια της γύρω μεμβράνης. Για να δημιουργηθούν δύο μικρότερα θυγατρικά κύτταρα με τον ίδιο συνολικό όγκο με το μητρικό κύτταρο θα απαιτούσε πρόσθετα λιπίδια για τις μεμβράνες τους, επειδή η επιφάνειά τους θα ήταν μεγαλύτερη σε σχέση με τον όγκο τους. Οι χημικές αντιδράσεις που απαιτούνται για να τροφοδοτήσουν τη σύνθεση αυτών των λιπιδίων θα απέδιδαν ενέργεια με τη μορφή θερμότητας.

Καθώς ο Attal συζητούσε αυτές τις ιδέες με τον Schwartz, άρχισε να αναρωτιέται αν αυτή η ενέργεια ήταν αρκετή για να οδηγήσει την πρώιμη κυτταρική διαίρεση. Μια έρευνα στην ερευνητική βιβλιογραφία αποκάλυψε μια μελέτη που διαπίστωσε ότι τα μιτοχόνδρια (το ενεργειακό κέντρο του κυττάρου, που ξεκίνησε ως συμβιωτικό βακτήριο πριν από δισεκατομμύρια χρόνια) έχουν ελαφρώς υψηλότερη θερμοκρασία από το περιβάλλον κύτταρο. Ο Attal ήθελε να μάθει εάν αυτή η διαφορά ενέργειας θα μπορούσε να δημιουργηθεί σε πρωτοκύτταρα και αν ήταν επαρκής για να οδηγήσει τη σχάση.

Άρχισε να σκιαγραφεί μια σειρά από εξισώσεις για να μοντελοποιήσει τι μπορεί να συμβαίνει. Ξεκίνησε με μια σειρά από υποθέσεις, όπως ότι το πρωτοκύτταρο θα είχε σχήμα ράβδου και ότι είχε μια μεμβράνη διπλής στρώσης που επέτρεπε τη διάχυση των θρεπτικών συστατικών και τη διάχυση των αποβλήτων.

«Είναι ένα πολύ, πολύ τραχύ μοντέλο», είπε. "Έμεινα έκπληκτος που θα μπορούσε να αναχθεί σε μια ενιαία διαφορική εξίσωση."

Ο Attal συνειδητοποίησε ότι η ενέργεια που παράγεται από τον πρωτόγονο κυτταρικό μεταβολισμό θα θερμαίνει τα λιπίδια στο εσωτερικό της μεμβράνης πιο γρήγορα από εκείνα στο εξωτερικό. Στη συνέχεια, η θερμοδυναμική θα ανάγκαζε τα ενεργειακά εσωτερικά λιπίδια να «αναποδογυρίσουν» προς τα έξω, προκαλώντας την επέκταση του εξωτερικού στρώματος μεμβράνης σε βάρος του εσωτερικού στρώματος. Μια εύκολη λύση σε αυτή την ανισορροπία θα ήταν το κύτταρο να ενωθεί σε δύο θυγατρικά κύτταρα. Αυτό το τσίμπημα θα εμφανιζόταν στη μέση του γονικού κυττάρου, όπου ήταν πιο ζεστό και οι κινήσεις των λιπιδίων ήταν πιο έντονες.

Πολύ μικρό για να ζεσταθεί;

Η εργασία είναι καθαρά θεωρητική, αλλά ο Attal είπε ότι μπορεί να δοκιμαστεί πειραματικά δημιουργώντας παρόμοια κυστίδια στο εργαστήριο και μετρώντας εάν η θερμοκρασία στο εσωτερικό είναι διαφορετική από την εξωτερική θερμοκρασία.

Ο Wang λέει ότι το έργο είναι σημαντικό ως υπενθύμιση ότι η ασυμμετρία στις λιπιδικές μεμβράνες θα μπορούσε να παίξει ρόλο στην πρωτόγονη ζωή. Ωστόσο, τόσο αυτή όσο και ο βιοφυσικός Paul Higgs του Πανεπιστημίου McMaster είναι δύσπιστοι για ορισμένες από τις υποθέσεις που έκανε ο Attal. Και οι δύο επεσήμαναν ότι επειδή τα κύτταρα και τα πρωτοκύτταρα είναι μικρά, θα μπορούσε να δημιουργηθεί μόνο ελάχιστη θερμότητα και αμφισβήτησαν εάν αυτή η διαφορά θερμοκρασίας θα ήταν αρκετά μεγάλη ώστε να προκαλέσει σχάση πριν η θερμότητα διαχυθεί στη μεμβράνη.

Ο Wang έχει επίσης αμφιβολίες για την προτεινόμενη κίνηση των λιπιδίων μεταξύ της εσωτερικής και της εξωτερικής μεμβράνης. Στις σύγχρονες μεμβράνες, τα λιπίδια δεν κινούνται εύκολα μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού, επειδή τα μόριά τους έχουν πολύπλοκες δομές. Αυτό μπορεί να μην ισχύει για τα απλούστερα λιπίδια που πιστεύεται ότι χρησιμοποιούσε η πρώιμη ζωή. Όταν οι επιστήμονες δημιουργούν κυστίδια από αυτές τις ενώσεις στο εργαστήριο, «κυκλοφορούν σαν τρελοί. Δεν μπορείτε να το εμποδίσετε να συμβεί», είπε.

Ο Χιγκς αμφισβήτησε την υπόθεση του Άταλ ότι τα κύτταρα θα ήταν ράβδοι. Αυτό το σχήμα απαιτεί συγκεκριμένες πρωτεΐνες για να σκληρύνει τη μεμβράνη, κάτι που σχεδόν σίγουρα δεν έλειπε από τα πρωτοκύτταρα. Ως αποτέλεσμα, θα είναι σφαιρικά, όχι σε σχήμα ράβδου.

"Δεν καταλαβαίνω πώς μπορείτε να διατηρήσετε ένα σχήμα ράβδου χωρίς σκληρό τοίχο", είπε.

Κανένα από αυτά τα ζητήματα δεν σημαίνει ότι η θερμότητα δεν έπαιξε ρόλο στην πρώιμη κυτταρική διαίρεση, μόνο ότι το μαθηματικό μοντέλο του Attal μπορεί να μην είναι το πιο ακριβές, λέει ο Wang. Ωστόσο, η Claudia Bonfio, βιοχημικός στο Πανεπιστήμιο του Στρασβούργου στη Γαλλία, λέει ότι η εργασία προσθέτει στη βιβλιογραφία για την πρώιμη ζωή επειδή «είναι ένα ωραίο σημείο εκκίνησης για πειράματα. Πολύ συχνά ξεχνάμε ότι οι αντιδράσεις καταναλώνουν και παράγουν θερμότητα, η οποία θα μπορούσε να έχει επίδραση σε πράγματα όπως η σχάση.»