گرما ممکن است تقسیم سلولی را در حیات ابتدایی آغاز کرده باشد

به گزارش وایرد، یک نمایش زیبا توسط پروتئین‌ها، سلول‌های جدید را قادر می‌سازد تا خود را تکثیر کنند. پروتئین‌ها و آنزیم‌های ساختاری طی فرآیند تقسیم سلولی می‌توانند تکثیر DNA، تقسیم محتویات سیتوپلاسمی و برش غشا را هماهنگ کنند. درست انجام شدن این فرآیندها بسیار مهم است زیرا بروز خطا می‌تواند تولید سلول‌های غیرطبیعی یا ناکارآمد را در پی داشته باشد.

میلیاردها سال پیش، همین چالش احتمالا با نخستین محموله‌های غشایی خودسازماندهی‌شده حاوی مواد شیمیایی مواجه شده است که خود به خود به وجود می‌آیند اما این "پیش ‌سلول‌ها" یا "پروتوسل‌ها"(Protocells) باید بدون تکیه کردن بر پروتئین‌های بزرگ تکثیر شوند. اینکه پروتوسل‌ها چگونه چنین کاری را انجام می‌دهند، یک سوال کلیدی برای اخترزیست‌شناسان و بیوشیمی‌دانانی است که منشا حیات را بررسی می‌کنند.

"آنا وانگ"(Anna Wang)، اخترزیست‌شناس "دانشگاه نیو ساوت ولز"(UNSW) استرالیا گفت: اگر همه آنزیم‌های سلول حذف شوند، هیچ اتفاقی نمی‌افتد. آنها محموله‌هایی واقعا پایدار هستند و این یک نکته مورد توجه به شمار می‌رود.

"رومین آتال"(Romain Attal)، فیزیکدان "شهر علم و فناوری"(City of Science and Industry) فرانسه، مجموعه‌ای از معادلات ریاضی را ارائه داده است که نشان می‌دهند گرما چگونه به تنهایی می‌تواند برای هدایت یک بخش مهم از فرآیند همانندسازی کافی باشد. این فرآیند، شکافت یک پروتوسل و تقسیم شدن آن به دو بخش است.

آتال باور دارد که فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی فعال در حیات ابتدایی احتمالا بسیار ساده بوده‌اند و ترمودینامیک به تنهایی می‌تواند نقش مهمی در نحوه آغاز زندگی داشته باشد. آتال گفت: معادلات اساسی که من روی آنها کار کرده‌ام، می‌توانند برخی از قوانین حاکم بر نحوه پیدایش زندگی را برای نخستین بار بیان کنند.

وی افزود: سطح دما برای زندگی مهم است. اگر موضوعی را درک می‌کنید، باید بتوانید اصول آن را بنویسید.

تلنگری برای شکافت سلولی

برای این که سلول‌های بدوی بتوانند خود را بدون نیاز به سیستم‌های پیچیده پروتئینی تقسیم کنند، یک محرک فیزیکی یا شیمیایی مورد نیاز بود. وانگ گفت: این موضوع در مورد رساندن یک سلول به عملکردهای اصلی خود است و همچنین فکر کردن به این که اصول ابتدایی فیزیکی و شیمیایی چیست و چگونه می‌توان از آن بدون نیاز به پروتئین تقلید کرد.

کشف این فرآیندها زمانی چالش برانگیزتر می‌شود که در نظر داشته باشیم دانشمندان هنوز نمی‌توانند در مورد تعریفی کلی پیرامون حیات و به طور ویژه پروتوسل‌ها به توافق برسند.

آنچه دانشمندان بر سر آن اتفاق نظر دارند، این است که پروتوسل‌ها احتمالا نوعی اطلاعات موروثی داشته‌اند که توانسته‌اند آنها را به سلول‌های دختر منتقل کنند. این متابولیسمی است که واکنش‌های شیمیایی انجام می‌دهند و یک غشای لیپیدی، متابولیسم و اطلاعات ارثی را از بقیه قسمت‌ها جدا می‌کند.

برای اینکه یک پروتوسل پیش از تقسیم شدن رشد کند، نه تنها باید حجم داخل سلول بلکه باید سطح غشای اطراف را نیز افزایش دهد. برای ایجاد دو سلول دختر کوچک‌تر با حجم کلی مشابه سلول مادر، به لیپیدهای اضافی برای غشاهای آنها نیاز است زیرا مساحت آنها نسبت به حجم آنها بیشتر است. واکنش‌های شیمیایی مورد نیاز برای تامین سوخت تولید این لیپیدها، انرژی را به شکل گرما منتشر می‌کند.

هنگامی که آتال این ایده‌ها را با "لوران شوارتز"(Laurent Schwartz)، زیست‌شناس حوزه سرطان در میان گذاشت، این پرسش پیش آمد که آیا این انرژی برای شکل‌گیری تقسیم ابتدایی سلولی کافی است یا خیر. جست ‌و جو در پژوهش‌های پیشین، یک پژوهش را مشخص کرد که نشان می‌دهد دمای میتوکندری‌ها، کمی بالاتر از سلول‌های اطراف است. آتال می‌خواست بداند که آیا این تفاوت انرژی می‌تواند در پروتوسل‌ها ایجاد شود و آیا برای ایجاد شکافت سلول کافی است یا خیر.

آتال ترسیم مجموعه‌ای از معادلات را برای مدل‌سازی آنچه ممکن است رخ دهد، آغاز کرد. او کار خود را با مجموعه‌ای از فرضیات آغاز کرد؛ از جمله اینکه شکل پروتوسل، میله‌ای خواهد بود و غشایی دولایه دارد که اجازه می‌دهد مواد مغذی در داخل و مواد زائد در بیرون پخش شوند.

آتال متوجه شد که انرژی تولیدشده توسط متابولیسم سلولی ابتدایی، لیپیدهای داخل غشا را سریع‌تر از لیپیدهایی که در بیرون هستند، گرم می‌کند. سپس ترمودینامیک، لیپیدهای درونی پرانرژی را وادار می‌کند تا به سمت بیرون بچرخند و باعث می‌شود که غشای بیرونی منبسط شود. یک راه حل آسان برای این عدم تعادل این است که سلول‌ها به هم متصل شوند و دو سلول دختر را تشکیل دهند. این اتصال احتمالا در مرکز سلول مادر رخ می‌دهد؛ جایی که گرم‌تر است و حرکات لیپید در آن بیشتر مشخص می‌شوند.

این پژوهش، کاملا تئوری است اما آتال گفت که می‌توان آن را با ایجاد وزیکول‌های مشابه در آزمایشگاه و بررسی اینکه آیا دمای داخل با دمای بیرون متفاوت است یا خیر، آزمایش کرد.

وانگ گفت که این پژوهش برای یادآوری این نکته مهم است که عدم تقارن در غشاهای لیپیدی می‌تواند در حیات اولیه نقش داشته باشد. با وجود این، هم او و هم "پل هیگز"(Paul Higgs)، بیوفیزیکدان "دانشگاه مک مستر"(McMaster University) نسبت به برخی از فرضیات آتال تردید دارند. هر دو نفر آنها خاطرنشان کردند از آنجا که سلول‌ها و پروتوسل‌ها کوچک هستند، می‌توانند حداقل گرما را تولید کنند. آنها این پرسش را مطرح کردند که آیا این اختلاف دما آن قدر زیاد است که پیش از انتشار گرما در غشا، به تحریک شکافت منجر شود یا خیر.

همچنین، وانگ در مورد نظریه حرکت لیپیدها بین غشای داخلی و خارجی شک دارد. در غشاهای جدید، لیپیدها به راحتی بین داخل و خارج حرکت نمی‌کنند زیرا مولکول‌های آنها ساختار پیچیده‌ای دارند. این ممکن است در مورد لیپیدهای ساده‌تر صادق نباشد. هنگامی که دانشمندان، وزیکول‌هایی را از این ترکیبات در آزمایشگاه ایجاد می‌کنند، آنها دیوانه‌وار به حرکت در اطراف می‌پردازند. وانگ گفت: نمی‌توان از وقوع این حرکت جلوگیری کرد.

هیگز، فرضیه آتال را در مورد میله‌ای بودن سلول‌ها زیر سوال برد. این شکل، به پروتئین‌های خاصی برای سفت شدن غشاء نیاز دارد که پروسل‌ها قطعا فاقد آن بودند. در نتیجه، آنها کروی خواهند بود و شکل میله‌ای نخواهند داشت. هیگز گفت: نمی‌دانم چگونه می‌توان شکل میله‌ای را بدون وجود دیواره سفت حفظ کرد.

وانگ باور دارد که هیچ کدام از این نظریات بدان معنا نیست که گرما نقشی در تقسیم سلولی اولیه نداشته است اما امکان دارد که مدل ریاضی آتال، دقیق‌ترین مدل نباشد. با وجود این، "کلودیا بونفیو"(Claudia Bonfio)، بیوشیمیدان "دانشگاه استراسبورگ"(University of Strasbourg) فرانسه گفت: این پژوهش، اطلاعاتی را به بررسی‌های مربوط به حیات اولیه می‌افزاید زیرا نقطه آغاز خوبی برای آزمایش‌ها است. ما اغلب فراموش می‌کنیم که واکنش‌ها به مصرف و تولید گرما منجر می‌شود و این موضوع می‌تواند بر پدیده‌هایی مانند شکافت تأثیر بگذارد.

این پژوهش، در "Biophysical Journal" به چاپ رسید.