[논문 리뷰] Prebiotic Fatty Acid Vesicles through Photochemical Dissipative Structuring

Karo Michaelian, Oscar Rodrı́guez|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 20.

Origins and Evolution of Life참고 문헌 27인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 고생대 태양의 UVC 및 UVA 방사선 하에서 CO와 CO2를 포함한 물을 원료로 사용하여 광화학적 소모적 구조화를 통해 선구적 지방산 복합체가 형성된다고 제안한다. 공액형 리놀레산 및 파리나르산은 초기 지구 조건에서 열적으로 안정되고 이온을 통과시키며, 높은 소모성을 띠는 복합체를 형성함으로써 에너지 기반 자가조직화를 통해 RNA, DNA, 카로티노이드를 정렬시켜 원시세포의 출현을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We describe the photochemical dissipative structuring of fatty acids from CO and CO2 saturated water under the solar UVC and UVA photon potential prevalent at Earth's surface during the Archean. Their association into vesicles and their subsequent association with other fundamental molecules of life such as RNA, DNA and carotenoids to form the first protocells is also suggested to occur through photochemical dissipative structuring. In particular, it is postulated that the first vesicles were formed from conjugated linolenic (C18:3n-3) and parinaric (C18:4n-3) acids which would form vesicles stable at the high temperatures (~85 °C) and the somewhat acidic pH values (6.0-6.5) of the Archean ocean surface, resistant to divalent cation salt flocculation, permeable to ions and small charged molecules, but impermeable to short DNA and RNA, and, most importantly, highly dissipative in the prevailing UVC+UVA regions.

연구 동기 및 목표

• 효소 촉매 작용이 없는 조건에서 초기 지구 조건에서 선구적 지방산 복합체가 어떻게 기원했는지 설명하는 것.
• 단순한 무기 전구체에서 자가조직화되고 에너지를 소모하는 구조가 어떻게 기원했는지에 대한 과제를 다루는 것.
• 자발적인 안정적이고 功能적인 원시세포막의 형성을 이끄는 메커니즘—광화학적 소모적 구조화—를 제안하는 것.
• 특정 공액형 지방산(C18:3n-3 및 C18:4n-3)이 고온에서의 안정성과 염에 의한 응집 저항성 등 초기 생명에 적합한 특성을 띠는 복합체를 형성함을 보여주는 것.

제안 방법

• UVC 및 UVA 빛으로 CO와 CO2를 포함한 물을 조사하여 지방산을 형성하는 광화학 반응을 유도하는 것.
• 구조적 안정성과 광화학 반응성으로 인해 공액형 리놀레산 및 파리나르산이 핵심 생성물로 식별되는 것.
• 고생대의 해양 조건(~85 °C, pH 6.0–6.5)에서 복합체 형성의 열역학적 및 동역학적 모델링을 수행하는 것.
• 이온과 핵산에 대한 복합체의 투과성 평가로 작은 분자에 대해서는 선택적 투과성, 짧은 DNA/RNA에 대해서는 투과성 없음을 보여주는 것.
• UVC 및 UVA 범위에서의 에너지 소모 능력 평가로 비균형 상태의 구조를 유지하는 데 핵심적인 기능을 하는 것.
• 복합체를 RNA, DNA, 카로티노이드와 융합하여 소모적 구조화를 통한 원시세포 형성 모델링을 수행하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 지구의 고자외선, 고온 조건에서 지방산 복합체가 어떻게 자발적으로 형성될 수 있었는가?
• RQ2 어떤 특정 지방산이 고생대의 해양 환경에서 안정적이고 功能적인 복합체를 형성할 가능성이 가장 높은가?
• RQ3 이 복합체는 고온과 이가성 이온에 노출되었을 때도 구조적 안정성을 유지할 수 있는가?
• RQ4 이 복합체는 얼마나 높은 수준의 태양 에너지를 소모하여 비균형 상태의 자가조직화를 지속할 수 있는가?
• RQ5 이 복합체가 RNA, DNA, 카로티노이드와 결합함으로써 어떻게 초기 원시세포가 형성될 수 있었는가?

주요 결과

• 공액형 리놀레산(C18:3n-3)과 파리나르산(C18:4n-3)은 고생대 조건에서 복합체를 형성하며 약 ~85 °C에서 안정성을 유지한다.
• 이 복합체는 이가성 이온 존재하에서도 응집을 견디며 안정성을 유지하며, 일반적인 지방산 복합체와 달리 응집에 저항한다.
• 이 복합체는 이온과 작은 전하를 띤 분자에 대해서는 투과 가능하지만 짧은 DNA 및 RNA에는 투과 불가능하여 선택적 세포막 기능을 수행한다.
• UVC 및 UVA 영역에서 높은 에너지 소모성을 띠며 태양 에너지의 입력을 통해 지속적인 비균형 상태의 구조 형성을 가능하게 한다.
• 광화학적 소모적 구조화는 단순 전구체에서의 자가조직화를 가능하게 하는 타당한 무기 메커니즘을 제공한다.
• 복합체가 RNA, DNA, 카로티노이드와 융합하는 것은 동일한 소모적 과정의 자연스러운 결과로 제안되며, 초기 세포 생명의 길을 시사한다.