[論文レビュー] Non-Equilibrium Thermodynamics of Self-Replicating Protocells

Harold Fellermann, Bernat Corominas‐Murtra+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2015

Origins and Evolution of Life参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、水中に存在する界面活性剤被膜を有する油ドロイドからなる自己複製型プロトセルの非平衡熱力学的モデルを提示し、遺伝的情報に依存せずにエネルギー駆動型代謝サイクルから成長と分裂が生じることを示している。この系は前駆体の加水分解から得られる化学エネルギーを用いて界面張力の変化を誘発し、熱力学的不安定性によってドロイドの分裂を引き起こす。連続的な供給により融合が防がれ、持続的な複製サイクルが可能となる。

ABSTRACT

We provide a non-equilibrium thermodynamic description of the life-cycle of a droplet based, chemically feasible, system of protocells. By coupling the protocells metabolic kinetics with its thermodynamics, we demonstrate how the system can be driven out of equilibrium to ensure protocell growth and replication. This coupling allows us to derive the equations of evolution and to rigorously demonstrate how growth and replication life-cycle can be understood as a non-equilibrium thermodynamic cycle. The process does not appeal to genetic information or inheritance, and is based only on non-equilibrium physics considerations. Our non-equilibrium thermodynamic description of simple, yet realistic, processes of protocell growth and replication, represents an advance in our physical understanding of a central biological phenomenon both in connection to the origin of life and for modern biology.

研究の動機と目的

• 遺伝的インヒェランスに依存せずに成長と分裂を説明できる非平衡熱力学的フレームワークを、プロトセルのライフサイクルに適用すること。
• 化学的に現実的で界面活性剤を用いた系において、プロトセル複製を駆動する物理的条件（特にエネルギー供給と界面張力のダイナミクス）を同定すること。
• 代謝の循環がどのように熱力学的サイクルを生成し、制御された不安定性を通じて繰り返し複製を可能にするかをモデル化すること。
• 連続的な供給がドロイドの融合を防ぎ、合成生物学および生命の起源研究にとって不可欠な安定的・連続的な複製サイクルを実現することを示すこと。

提案手法

• 油・水・界面活性剤の三成分エマルジョンとしてプロトセル系をモデル化し、デカノイック酸アンハイドリドを前駆体とし、デカノイック酸を界面活性剤として用い、疎水性・親水性相互作用によって安定なドロイドを形成する。
• 自由エネルギー最小化に基づく熱力学的モデルを構築し、ドロイドの安定性がリピッド（L）と前駆体（P）の濃度のバランスに依存することを定式化する。臨界点は、n個とn+1個のドロイドの自由エネルギーが等しくなる条件で定義される。
• 全前駆体（P_tot）が25本の定常ラインに沿って変化する位相空間解析を実施し、L_totを変化させた場合のドロイド数の安定性境界を特定。G(n) = G(n+1)となる遷移点を特定することで、安定性の境界を特定する。
• 2種類の供給戦略（即時供給と連続的供給）をシミュレート。即時供給は表面圧縮を引き起こし、融合の可能性を伴うが、連続的供給は熱力学的三角形内を経路として維持し、融合を回避する。
• 主な変数（全量およびドロイドに結合したLおよびP、理想被覆からの表面ずれ、幾何的およびドロイドの自由エネルギー寄与、全エントロピーおよび全自由エネルギー）を用いて、代謝経路および抽出経路に沿ったシステムの進化を追跡する。
• ドロイド数が100,000に達するまで広範な数値サンプリングを実施し、自由エネルギーが拡張量であることが確認され、システムのスケーラビリティが裏付けられた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遺伝的情報やインヒェランスを一切用いずに、非平衡熱力学のみでプロトセルの成長と分裂をどのように説明できるか？
• RQ2 前駆体の加水分解によって駆動される界面活性剤被膜を有する油/水エマルジョンにおいて、どのような熱力学的条件がドロイドの不安定性と分裂を引き起こすか？
• RQ3 供給戦略（即時供給対連続的供給）は、ドロイドの融合と複製サイクルの安定性にどのように影響するか？
• RQ4 リピッドの表面圧縮は、代謝サイクル中における安定ドロイド数を決定づける役割を果たすか？
• RQ5 前駆体の加水分解から得られる化学エネルギーは、どのようにして機械的仕事に変換され、ドロイドの分裂を駆動するか？

主な発見

• 代謝エネルギーの供給によりドロイドの成長と分裂が駆動される非平衡熱力学的サイクルを経て、抽出後に初期状態に戻ることでサイクルが完了する。
• 前駆体が界面活性剤に変換されることで誘発される表面張力の不安定性が、表面体積比が臨界閾値を超えた際に自発的な分裂を引き起こす。
• 連続的供給によりリピッド濃度の急激な上昇を回避し、安定性境界を逆方向に越えない経路を維持することで、ドロイドの融合が防がれる。
• 供給と抽出の経路がバランスしている場合、1サイクルあたり1つの新しいドロイドが生成される安定な複製サイクルが実現する。これは、帰還経路で1つの安定性境界を通過することによって確認された。
• 強い表面圧縮性のため、理想被覆からのずれは無視できるほど小さい。余剰リピッドはドロイドの幾何学的形状の歪みを引き起こさず、むしろ体相に蓄積される。
• 化学エネルギーの大部分は系のエントロピー増加に使用され、構造的変形へのエネルギー損失は最小限に抑えられ、複製プロセスにおける高い熱力学的効率が示された。