[논문 리뷰] Non-Equilibrium Thermodynamics of Self-Replicating Protocells

Harold Fellermann, Bernat Corominas‐Murtra외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 16.

Origins and Evolution of Life참고 문헌 2인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 물속에 있는 비이온성 계면활성제로 코팅된 기름 방울로 구성된 자가복제하는 프로토세포의 비평형 열역학 모델을 제시하며, 유전 정보 없이도 에너지 구동 대사 순환에 의해 성장과 분열이 발생함을 보여준다. 시스템은 원료 수소화 반응에서 유래하는 화학 에너지를 이용해 표면 장력 변화를 유도하여 열역학적 불안정성으로 인해 방울 분열을 유도하며, 지속적인 공급으로 융합을 방지하고 반복 가능한 복제 사이클을 유지한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 유전적 상속에 의존하지 않고도 성장과 분열을 설명할 수 있는 비평형 열역학적 프레임워크를 개발하는 것.
• 특히 에너지 입력과 표면 장력 역학이 화학적으로 타당한 계면활성제 기반 시스템에서 프로토세포 복제를 이끄는 물리적 조건을 규명하는 것.
• 대사 순환에 의해 열역학적 순환을 생성하는 방식을 모델링하여 제어된 불안정성에 의해 반복적인 복제가 가능하도록 하는 것.
• 지속적인 공급이 융합을 방지하여 합성생물학과 생명 기원 연구에 필수적인 안정적이고 끊김 없는 복제 사이클을 가능하게 함을 보여주는 것.

제안 방법

• 기름, 물, 계면활성제로 구성된 삼성계 에멀전으로 프로토세포 시스템을 모델링하며, 디카노산 안하이드라이드를 원료로, 디카노산을 계면활성제로 사용하여 비극성-친수성 상호작용에 의해 안정된 방울을 형성한다.
• 자유 에너지 최소화 원리에 기반한 열역학 모델을 수립하며, 방울 안정성은 지질(L)과 원료(P) 농도의 균형에 따라 결정되며, n개와 n+1개 방울의 자유 에너지가 동일한 조건에서 임계점이 정의된다.
• 총 원료 농도(P_tot)가 일정한 25개의 선을 따라 단계 공간 분석을 수행하여, L_tot의 변화에 따라 방울 수의 안정성 경계를 규명하며, G(n) = G(n+1)가 성립하는 전이 지점을 특정한다.
• 두 가지 공급 전략을 시뮬레이션: 즉각적 공급(표면 압축 및 융합 가능성 유도)과 연속적 공급(열역학 삼각형 내 경로 유지, 융합 방지).
• 주요 변수를 사용해 대사 및 추출 경로를 따라 시스템의 진화를 추적: 총 및 방울에 결합된 L과 P, 이상적인 표면 커버리지에서의 편차, 기하학적 및 방울 자유 에너지 기여도, 총 엔트로피 및 자유 에너지.
• 최대 100,000개의 방울 수에 이르는 광범위한 수치 샘플링을 적용하여 자유 에너지가 광역량임을 확인하고, 시스템 행동의 스케일러빌리티를 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유전 정보나 유전적 상속을 고려하지 않고도 비평형 열역학만으로 프로토세포의 성장과 분열을 어떻게 설명할 수 있는가?
• RQ2 원료 수소화에 의해 구동되는 계면활성제 코팅된 기름-물 에멀전에서 어떤 열역학적 조건이 방울의 불안정성과 분열을 유도하는가?
• RQ3 공급 전략(즉각적 공급 대비 연속적 공급)이 방울 융합과 복제 사이클의 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 지질의 표면 압축이 대사 사이클 중 안정된 방울 수를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 원료 수소화에서 유래한 화학 에너지는 어떻게 기계적 일로 전환되어 방울 분열을 유도하는가?

주요 결과

• 대사 에너지 공급이 방울 성장과 분열을 이끄는 비평형 열역학 순환을 겪으며, 시스템이 추출 후 初기 상태로 복귀할 때 순환 완료됨을 보여준다.
• 원료가 계면활성제로 전환되면서 유도된 표면 장력의 불안정성이 표면체적비가 임계 임계값을 초과할 경우 자발적인 분열을 유도한다.
• 연속적 공급은 지질 농도 급증을 방지하여 융합을 피하고, 안정성 경계를 역행으로 횡단하지 않는 경로를 유지함으로써 융합 방지 효과를 발휘한다.
• 공급 및 추출 경로가 균형을 이루면 시스템은 안정적인 복제 사이클을 보이며, 한 사이클당 한 개의 새로운 방울이 생성되며, 돌아오는 경로에서 안정성 경계가 단 한 번만 횡단됨으로써 확인된다.
• 강한 표면 압축성으로 인해 이상적 표면 커버리지에서의 편차는 무시할 수 있을 정도로 작으며, 여분의 지질은 방울 기하학적 왜곡을 일으키지 않고 오히려 부상상에 축적된다.
• 화학 에너지는 주로 시스템 엔트로피 증가에 사용되며, 구조적 변형에 의한 에너지 손실은 최소화되어 있어 복제 과정에서 높은 열역학적 효율성을 보인다.