[論文レビュー] Selection of Catalysts through Cellular Reproduction

Naoaki Ono, Takashi Ikegami|ArXiv.org|Sep 19, 2002

Origins and Evolution of Life参考文献 10被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、化学的スープからプロトセルの出現を模擬するラティスベースの人工化学モデルを提案している。このモデルは、細胞の自己複製が膜生成活性の高い触媒の選択を引き起こす仕組みを示している。確率的粒子ダイナミクス、疎水性相互作用、自己触媒反応を通じて、膜生成効率の高い触媒を持つ細胞が細胞レベルの選択を経て進化し、時間とともに触媒効率が向上し、細胞サイズのばらつきが減少することが示された。

ABSTRACT

It has been pointed out that if an autocatalytic cycle produces primitive membrane chemicals, it can compose a self-maintaining proto cell. Moreover, it is known that a proto cell can divide itself spontaneously as it grows. An unsolved problem is how such a catalytic system can evolve in the pre-cellular environment. Here we examine, as the first step, the evolution of catalysts that have different activity in generating membrane chemicals using a Lattice-Gas-like model. We demonstrated that a self-replicating proto-cell emerges from random initial configuration. We also showed that cells with higher activity of membrane production evolve through cellular selection.

研究の動機と目的

• 非組織的化学的スープから自己組織化と自己複製を経てプロトセルがどのように進化するかを調査すること。
• 細胞の自己複製が膜生成活性の高い触媒を選択する役割を明らかにすること。
• 粒子レベルの相互作用を通じて自己生成構造（アトポエーシス構造）の出現とその進化的安定性をモデル化すること。
• 空間的制約のある環境において、細胞選択が触媒の進化的な道筋にどのように影響するかを検討すること。
• 臨床的ルールを追加しない、パラメータに敏感でない堅牢なフレームワークを確立すること。

提案手法

• 空間的サイトを表すために2次元の正三角形格子を用い、化学種（粒子）がこれらのサイトを占め、確率的遷移を経験する。
• 化学反応は、ポテンシャル差に依存する関数 f(ΔE) = ΔE / (e^{βΔE} - 1) によって支配される確率的遷移としてモデル化され、βは1に正規化されている。
• 疎水性相互作用は、疎水性、親水性、中性の粒子種間に反発ポテンシャルを割り当てることで実装され、相分離と膜形成を促進する。
• 拡散は偏りのあるランダムウォークとしてモデル化され、大きな分子（例：自己触媒と膜粒子）の拡散係数は低くなる。
• 膜形成は、膜粒子を生成する自己触媒反応によって駆動され、その後疎水性効果によって自己組織化して閉じた構造を形成する。
• 細胞の自己複製は、内部の触媒が複製され、細胞が分裂することで発生し、娘細胞は内部の触媒と膜組成を相続する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己組織化によって、均一な化学的スープからプロトセルがどのように自発的に出現するのか？
• RQ2 空間的に拡張された系において、プロトセルが自己複製を遂げるために必要な条件は何か？
• RQ3 細胞の自己複製が、膜生成活性の高い触媒の選択にどのように寄与するのか？
• RQ4 膜の組成と疎水性が、プロトセルの安定化と複製効率に果たす役割は何か？
• RQ5 リソース供給と触媒効率の変化に対して、系の挙動はどのように応答するか？

主な発見

• 自己触媒反応と疎水性自己組織化を通じて、初期状態がランダムであってもプロトセルが自発的に出現し、安定で自己維持可能な構造を形成する。
• 内部の触媒が複製され、細胞が分裂することで、細胞の自己複製が自然に発生し、娘細胞は内部の触媒組成を相続する。
• 時間の経過とともに、膜生成に対する触媒活性の高い細胞が選択され、集団における平均触媒効率の上昇が観察された。
• 90万イテレーションの間に、細胞サイズの標準偏差が47.52から24.26に減少し、最適なサイズへの進化的安定化が示された。
• 過剰な膜生成は疎水性環境を形成し、自己触媒の複製を低下させるため、効率の高い触媒への選択圧が生じる。
• 膜形成と膜を通したリソース輸送が存在する限り、パラメータ値の変化に対してもモデルは頑健に動作し、一般化可能性が示された。