В основе роста и самовоспроизведения протоклеток - предполагаемых предков современных живых клеток - может лежать простой механизм, - предполагает исследование, опубликованное 3 сентября в журнале Biophysical Journal. Протоклетки представляют собой везикулы, ограниченные бислоем мембраны, и потенциально похожи на первого одноклеточного общего предка (FUCA). На основе относительно простых математических принципов предложенная модель предполагает, что основной силой, движущей рост и размножение протоклетки, является разница температур, возникающая между внутренней и внешней частью цилиндрической протоклетки в результате внутренней химической активности.
«Первоначальной мотивацией нашего исследования было определение основных сил, управляющих делением клеток», - говорит автор исследования Ромен Атталь из Universcience. «Это важно, потому что рак характеризуется неконтролируемым делением клеток. Это также важно для понимания происхождения жизни».
Дробление клетки с образованием двух дочерних клеток требует синхронизации многочисленных биохимических и механических процессов с участием структур цитоскелета внутри клетки. Но в истории жизни такие сложные конструкции представляют собой высокотехнологичную роскошь и, должно быть, появились гораздо позже, чем возможность расщепления. Протоклетки, должно быть, использовали простой механизм расщепления для обеспечения своего воспроизводства, прежде чем появились гены, РНК, ферменты и все сложные органеллы, присутствующие сегодня, даже в самых рудиментарных формах автономной жизни.
В новом исследовании Аттал предложил модель, основанную на идее о том, что ранние формы жизни были простыми пузырьками, содержащими определенную сеть химических реакций - предшественника современного клеточного метаболизма. Основная гипотеза состоит в том, что молекулы, составляющие бислой мембраны, синтезируются внутри протоклетки в результате глобальных экзотермических или высвобождающих энергию химических реакций.
Медленное повышение внутренней температуры заставляет самые горячие молекулы перемещаться от внутренней створки к внешней створке бислоя. Это асимметричное движение заставляет наружную створку расти быстрее, чем внутреннюю. Этот дифференциальный рост увеличивает среднюю кривизну и усиливает любое локальное сжатие протоклетки, пока она не разделится на две части. Разрез происходит возле самой горячей зоны, примерно посередине.
«Описанный сценарий можно рассматривать как предок митоза», - говорит Аттал. «Не имея биологических архивов возрастом 4 миллиарда лет, мы не знаем точно, что содержалось в FUCA, но, вероятно, это была везикула, ограниченная двойным липидным слоем, инкапсулирующим некоторые экзотермические химические реакции».
Хотя модель чисто теоретическая, ее можно проверить экспериментально. Например, можно использовать флуоресцентные молекулы для измерения изменений температуры внутри эукариотических клеток, в которых митохондрии являются основным источником тепла. Эти колебания могут быть связаны с началом митоза и с формой митохондриальной сети.
Если будущие исследования подтвердят, модель будет иметь несколько важных следствий, говорит Аттал. «Важным сообщением является то, что силы, движущие развитие жизни, в своей основе просты», - объясняет он. «Второй урок заключается в том, что температурные градиенты имеют значение в биохимических процессах, и клетки могут функционировать как тепловые машины».