[論文レビュー] Coevolution of membranes and channels: A possible step in the origin of life

Saint Clair Cemin, Lee Smolin|ArXiv.org|Sep 27, 1997

Origins and Evolution of Life参考文献 4被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、脂質二重層バイオームと膜貫通タンパク質チャネルが相互に進化することで初期細胞生命が可能になったことを示す共進化モデルを提案する。自己組織化膜ダイナミクスと機能的イオンチャネルを統合することで、原型細胞が選択的透過性と代謝的安定性を達成できることを示し、生物学的化学から細胞生命が出現するための妥当な経路を提示する。

ABSTRACT

We propose a scenario for the origin of life based on the coevolution of lipid bilayer vesicles and protein channels.

研究の動機と目的

• 初期の原型細胞が生命に不可欠な選択的透過性と内部ホメオスタシスをどのように達成できたかを説明すること。
• 自然選択が作用する前になされた原始的な膜と機能的タンパク質チャネルがどのように共進化できたかというパラドックスを解明すること。
• 前生物的環境において、膜の性質とチャネル機能がフィードバックループを通じて共に発展するメカニズムを提示すること。
• このような共進化が、複雑な事前の装置を必要とせずに安定で自己持続的な原型細胞系を生み出せることを示すこと。
• 膜とチャネルの相互適応と自己組織化に基づく、細胞生命の起源を説明する理論的枠組みを提供すること。

提案手法

• 非平衡熱力学の原則を用いて、前生物的条件下でのリン脂質二重層の自己集合によるバイオーム形成をモデル化すること。
• 膜貫通タンパク質チャネルを、イオンフラックスと膜電位を調整する動的要素として導入すること。
• 膜の湾曲度、組成、チャネル活性の間のフィードバックをシミュレートし、共進化的ダイナミクスを駆動すること。
• 適応的システムと自己組織化プロセスの概念を応用して、出現する安定性と機能性を記述すること。
• 進化的ダイナミクスにインspiredした理論的枠組みを用いて、膜とチャネルの相互利益がどのように選択されるかを探求すること。
• 物理的性質（例：流動性、電荷）と機能的結果（例：イオン輸送、エネルギー結合）を結びつける概念的モデルを通じて、共進化プロセスを形式化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複雑な酵素の進化以前に、初期のリン脂質膜とタンパク質チャネルがどのように共進化して選択的透過性を実現できたのか。
• RQ2 前生物的環境において、膜構造とチャネル機能の相互適応を駆動する物理的・化学的メカニズムは何か。
• RQ3 膜とチャネルの自己組織化系が、十分な安定性と機能性を達成し、原型細胞とみなせるか。
• RQ4 遺伝情報が欠如する状況で、膜とチャネルの共進化を維持・強化するフィードバックループは何か。
• RQ5 このような系が、生物学的化学から代謝様プロセスを維持できるシステムへとどのように移行できるか。

主な発見

• 膜とチャネルの共進化は、構造と機能の相互フィードバックを通じて、安定で自己持続的な原型細胞系を生み出すことができる。
• タンパク質チャネルによるイオンフラックスは、膜の湾曲度と組成を変化させ、さらなるチャネルの集積と安定化を促進する。
• このモデルは、事前の遺伝的コードなしに、選択的透過性と内部ホメオスタシスが物理的相互作用から出現できることを示している。
• 自己組織化ダイナミクスにより、勾配を維持し環境変動に耐性を持つ機能的コンpartmentsの自発的形成が可能になる。
• 遺伝子のない段階での進化の一種として、機能的安定性が膜-チャネルパートナーシップの持続と洗練を駆動する。
• 提示されたメカニズムは、生物学的でないバイオームから最初の生命細胞へと至る物理的根拠に基づく妥当な経路を提供する。