[論文レビュー] Modelling Early Transitions Toward Autonomous Protocells

Benjamin John Shirt-Ediss|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2016

Origins and Evolution of Life被引用数 3

ひとこと要約

本学位論文は、動的脂質膜と化学反応ネットワークを統合することで、自己複製的プロトセルの出現を調査するための準経験的モデリング枠組みを提案する。初期プロトセル進化における浸透圧効果の役割に特に注目し、水の浸透と膜透過性がプロトセルの安定性および代謝ダイナミクスに顕著に影響することを示している。非生物的化学系から細胞的自律性へと至る明確な道筋を提示している。

ABSTRACT

This thesis broadly concerns the origins of life problem, pursuing a joint approach that combines general philosophical/conceptual reflection on the problem along with more detailed and formal scientific modelling work oriented in the conceptual perspective developed. The central subject matter addressed is the emergence and maintenance of compartmentalised chemistries as precursors of more complex systems with a proper cellular organization. Whereas an evolutionary conception of life dominates prebiotic chemistry research and overflows into the protocells field, this thesis defends that the 'autonomous systems perspective' of living phenomena is a suitable - arguably the most suitable - conceptual framework to serve as a backdrop for protocell research. The autonomy approach allows a careful and thorough reformulation of the origins of cellular life problem as the problem of how integrated autopoietic chemical organisation, present in all full-fledged cells, originated and developed from more simple far-from-equilibrium chemical aggregate systems.

研究の動機と目的

• 進化モデルから自律性の視点に移行することで、生命の起源研究における概念的・機構的ギャップを埋める。
• 自己集合する膜と内部の化学ネットワークの相互作用によって、初期プロトセルがどのように動的安定性を達成できるかを調査する。
• 膜透過性や浸透圧制御といった、これまで軽視されてきた移行段階——特にそれらが自律的細胞組織の出現を可能にした点——を同定する。
• 脂肪酸ビスマズの実験的に検証された速度論モデルと抽象的な理論枠組みを統合する準経験的モデリング手法を開発する。
• 生命の起源問題を、単純な非平衡化学集合体から統合的かつ自己持続的自己生成系（autopoietic systems）としての出現という形に再定式化する。

提案手法

• 脂肪酸ビスマズ膜の理論的枠組みと実験的に検証された速度論モデルを組み合わせた準経験的モデリング手法を採用する。
• 環境条件の変化に応じたアマルファイルの自己集合（ミセルおよびビスマズ形成）をシミュレートするために、格子モンテカルロモデルを用いる。
• プロトセル実験で観察された膜の成長・破壊・競争ダイナミクスを反映した洗練された脂質速度論モデルを統合する。
• プロトセル内の溶媒体積を可変としてモデル化し、浸透圧ストレス下での発現的化学ダイナミクスを捉える。
• 人工化学の計算モデルを用いて最小限の自己生成系をシミュレートし、自己持続的化学組織の可能性を検証する。
• 膜ダイナミクスと内部代謝が浸透圧フィードバックループを通じて間接的に結合する共進化フレームワークを採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自律性の視点は、進化モデルに比べて、プロトセル出現を理解する上でより適切な概念的枠組みを提供できるか？
• RQ2 浸透圧効果は、動的膜を持つ初期プロトセル系の安定化または不安定化にどのような役割を果たすか？
• RQ3 選択的透過性を持つ膜と内部の化学反応ネットワークの相互作用は、持続的かつ自己調節的なシステムをどのように生み出すか？
• RQ4 プロトセルが細胞的自律性に類似した動的安定性を達成するために必要な最小限の条件は何か？
• RQ5 膜の競争と透過性の転移は、非生物的系から生物的系への移行において、これまで軽視されてきた重要な段階としてどのように機能するか？

主な発見

• 浸透圧効果は、特に体積変化と膜安定性の制御において、初期プロトセルの動的挙動に顕著な影響を及ぼす。
• 準経験的モデルは、pH やイオン濃度の変化に応じた膜の破壊や成長といった、実験的に観察されたプロトセルの競争現象をうまく再現した。
• 洗練された脂質速度論モデルは、脂肪酸ビスマズの非平衡ダイナミクス（成長、分裂、透過性変化など）を正確に捉えている。
• プロトセル内の可変な溶媒体積は、濃度の周期的変動やフィードバックループといった発現的化学ダイナミクスを引き起こし、持続的内部代謝を支援する。
• 浸透圧フィードバックを通じた代謝と膜の間接的結合により、複雑な遺伝的機構がなくても、安定した自己調節的システムの出現が可能である。
• 本研究では、受動的コンパートメント化から能動的で浸透圧制御されたシステムへの移行が、細胞的自律性への到達において、これまで軽視されてきた重要な段階であると特定した。