[논문 리뷰] Modelling Early Transitions Toward Autonomous Protocells

Benjamin John Shirt-Ediss|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 11.

Origins and Evolution of Life인용 수 3

한 줄 요약

이 학위논문은 동적 지질 막과 화학 반응 네트워크를 통합하여 자율적 원시세포의 기원을 조사하기 위해 반경험적 모델링 프레임워크를 제안한다. 특히 초기 원시세포 진화에서 삼투압 효과의 역할을 강조한다. 이는 수분 삼투압과 막 투과성이 원시세포의 안정성과 대사 역학에 결정적인 영향을 미친다는 것을 입증하며, 비생물학적 화학 시스템에서 세포 자율성으로 이르는 구체적인 길을 제시한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기원 연구 분야에서 개념적·기계적 갭을 해소하기 위해 진화 모델에서 자율성 관점으로의 전환을 시도한다.
• 자기조립 막과 내부 화학 네트워크 간의 상호작용을 통해 초기 원시세포가 어떻게 동적 안정성을 달성할 수 있는지 조사한다.
• 자율적 세포 조직의 기원을 가능하게 한, 특히 막 투과성과 삼투압 조절과 같은 간과된 전이 단계를 규명한다.
• 단순한 비균형 화학 집합체에서 통합적이고 자가유지되는 자율생성 시스템이 어떻게 기원하는지를 설명하는 반경험적 모델링 접근법을 개발한다.
• 기원 문제를 단순한 비균형 화학 집합체에서 유기적으로 통합되고 자가유지되는 자율생성 시스템으로의 기원으로 재정의한다.

제안 방법

• 지질막의 이론적 프레임워크와 실험적으로 검증된 지질막 반응 속도 모델을 융합한 반경험적 모델링 접근법을 채택한다.
• 환경 조건이 다양할 때 비극성 분자의 자가조립을 모의하기 위해 격자 몬테카를로 모델을 사용한다.
• 원시세포 실험에서 관찰된 막 성장, 파손, 경쟁 역학을 반영한 개선된 지질 반응 속도 모델을 통합한다.
• 원시세포 내 용매 부피의 가변성을 모델링하여 세포질의 팽창과 수축을 시뮬레이션하고, 삼투압 스트레스 하에서 나타나는 화학 역학의 기원을 포착한다.
• 인공 화학 모델을 적용하여 최소한의 자율생성 시스템을 시뮬레이션하고, 자가유지되는 화학 조직의 가능성 여부를 테스트한다.
• 막 역학과 내부 대사가 삼투압 피드백 루프를 통해 간접적으로 결합된 공진화 프레임워크를 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자율성 관점은 원시세포 기원을 이해하는 데 있어 진화 모델보다 더 적합한 개념적 프레임워크를 어떻게 제공할 수 있는가?
• RQ2 삼투압 효과는 동적 막을 지닌 초기 원시세포 시스템의 안정성 또는 불안정성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 선택적 투과성 막과 내부 화학 반응 네트워크 간의 상호작용은 어떻게 지속적이고 자가조절 가능한 시스템을 이끌어내는가?
• RQ4 원시세포가 세포 자율성과 유사한 동적 안정성을 달성하기 위해 필요한 최소 조건은 무엇인가?
• RQ5 막 경쟁과 투과성 전이가 비생물적 시스템에서 생물학적 시스템으로의 전이 과정에서 간과되었던 핵심 단계로 작용하는 방식은 무엇인가?

주요 결과

• 삼투압 효과는 특히 부피 변화 조절과 막 안정성에 영향을 미쳐 초기 원시세포의 동적 행동에 중대한 영향을 미친다.
• 반경험적 모델은 pH 및 이온 농도 변화에 따라 막 파손과 성장 현상이 관찰되는 실험적 원시세포 경쟁 현상을 성공적으로 재현한다.
• 개선된 지질 반응 속도 모델은 지질막의 비균형 역학, 즉 성장, 분열, 투과성 변화를 정확히 포착한다.
• 원시세포 내 용매 부피의 변동성은 농도 진동과 피드백 루프와 같은 기원 화학 역학을 유도하며, 지속적인 내부 대사 지원에 기여한다.
• 삼투압 피드백를 통한 대사와 막의 간접적 결합은 복잡한 유전 기계 없이도 안정적이고 자가조절 가능한 시스템의 기원을 가능하게 한다.
• 이 연구는 수동적 세포막 형성에서 삼투압으로 조절되는 능동적 시스템으로의 전이가 세포 자율성으로 향하는 이전에 간과되었던 핵심 단계임을 규명한다.