Prosty mechanizm może leżeć u podstaw wzrostu i samoreplikacji protokomórek – domniemanych przodków współczesnych żywych komórek – sugeruje badanie opublikowane 3 września w Biophysical Journal. Protokomórki to pęcherzyki połączone dwuwarstwą błoną i są potencjalnie podobne do pierwszego wspólnego przodka jednokomórkowego (FUCA). Opierając się na stosunkowo prostych zasadach matematycznych, zaproponowany model sugeruje, że główną siłą napędzającą wzrost i reprodukcję protokomórki jest różnica temperatur występująca między wnętrzem i zewnętrzem cylindrycznej protokomórki w wyniku wewnętrznej aktywności chemicznej.
„Początkową motywacją naszych badań było zidentyfikowanie głównych sił napędzających podział komórek” – mówi autor badania Romain Attal z Universcience. „Jest to ważne, ponieważ rak charakteryzuje się niekontrolowanym podziałem komórek. Jest to również ważne, aby zrozumieć pochodzenie życia”.
Podział komórki na dwie komórki potomne wymaga synchronizacji wielu procesów biochemicznych i mechanicznych obejmujących struktury cytoszkieletu wewnątrz komórki. Ale w historii życia takie złożone konstrukcje są luksusem high-tech i musiały pojawić się znacznie później niż zdolność do podziału. Protokomórki musiały używać prostego mechanizmu dzielenia, aby zapewnić ich reprodukcję, zanim pojawią się geny, RNA, enzymy i wszystkie złożone organelle obecne dzisiaj, nawet w najbardziej podstawowych formach autonomicznego życia.
W nowym badaniu Attal zaproponował model oparty na założeniu, że wczesne formy życia były prostymi pęcherzykami zawierającymi szczególną sieć reakcji chemicznych – prekursorem współczesnego metabolizmu komórkowego. Główna hipoteza głosi, że cząsteczki tworzące dwuwarstwę błony są syntetyzowane wewnątrz protokomórki w wyniku globalnie egzotermicznych reakcji chemicznych, czyli uwalniania energii.
Powolny wzrost temperatury wewnętrznej zmusza najgorętsze cząsteczki do przemieszczania się z wewnętrznego płatka do zewnętrznego płatka dwuwarstwy. Ten asymetryczny ruch sprawia, że płatek zewnętrzny rośnie szybciej niż płatek wewnętrzny. Ten zróżnicowany wzrost zwiększa średnią krzywiznę i wzmacnia wszelkie miejscowe kurczenie się protokomórki, aż do podziału na dwie części. Cięcie następuje w pobliżu najgorętszej strefy, wokół środka.
„Opisany scenariusz można uznać za przodka mitozy” – mówi Attal. „Nie mając archiwów biologicznych sprzed 4 miliardów lat, nie wiemy dokładnie, co zawierał FUCA, ale prawdopodobnie był to pęcherzyk ograniczony dwuwarstwą lipidową, w której znajdują się niektóre egzotermiczne reakcje chemiczne”.
Choć czysto teoretyczny, model można przetestować eksperymentalnie. Na przykład można wykorzystać cząsteczki fluorescencyjne do pomiaru zmian temperatury wewnątrz komórek eukariotycznych, w których mitochondria są głównym źródłem ciepła. Wahania te mogą być skorelowane z początkiem mitozy i kształtem sieci mitochondrialnej.
Jeśli zostanie potwierdzony przez przyszłe badania, model miałby kilka ważnych implikacji, mówi Attal. „Ważnym przesłaniem jest to, że siły napędzające rozwój życia są zasadniczo proste” – wyjaśnia. „Druga lekcja jest taka, że gradienty temperatury mają znaczenie w procesach biochemicznych, a komórki mogą działać jak maszyny termiczne”.
