Первые клетки могли использовать температуру для деления

Простой механизм мог лежать в основе роста и самовоспроизведения протоклеток - предполагаемых предков современных живых клеток. Так считает автор исследования, опубликованного сегодня в Biophysical Journal. Ромен Аттал из Universcience, поясняет, что протоклетки представляют собой везикулы, ограниченные мембранным бислоем, и потенциально подобны первому одноклеточному общему предку (FUCA). На основе относительно простых математических принципов предложенная модель предполагает, что основной движущей силой роста и размножения протоклеток является разница температур между внутренней и внешней частью цилиндрической протоклетки в результате внутренней химической активности.

Он пояснил, что первоначальной задачей исследования было выявление основных сил, управляющих делением клеток. Это важно в контексте развития рака, который как раз и характеризуется неконтролируемым делением клеток. Одновременно это также важно для понимания происхождения жизни.

Расщепление клетки с образованием двух дочерних клеток требует синхронизации многочисленных биохимических и механических процессов с участием цитоскелетных структур внутри клетки. Но в истории жизни такие сложные конструкции считались высокотехнологичной роскошью и, должно быть, появились намного позже, чем способность к расколу. Протоклетки должны были использовать простой механизм расщепления для обеспечения своего воспроизводства до появления генов, РНК, ферментов и всех сложных органелл, присутствующих сегодня, даже в самых рудиментарных формах автономной жизни.

В новом исследовании Аттал предложил модель, основанную на идее, что ранние формы жизни были простыми пузырьками, содержащими определенную сеть химических реакций - предшественником современного клеточного метаболизма. Основная гипотеза состоит в том, что молекулы, составляющие бислой мембраны, синтезируются внутри протоклетки посредством глобальных экзотермических или высвобождающих энергию химических реакций.

Медленное повышение внутренней температуры заставляет самые горячие молекулы перемещаться от внутреннего листочка к внешнему листку бислоя. Это асимметричное движение заставляет внешний листочек расти быстрее, чем внутренний. Этот дифференциальный рост увеличивает среднюю кривизну и усиливает любое локальное сжатие протоклетки до тех пор, пока она не разделится на две части. Разрез происходит около самой горячей зоны, примерно посередине.

«Описанный сценарий можно рассматривать как предшественника митоза. Не имея биологических архивов возрастом более 4 миллиардов лет, мы не знаем точно, что содержится в FUCA, но, вероятно, это была везикула, ограниченная липидным бислоем, инкапсулирующим некоторые экзотермические химические реакции», - рассказал автор исследования.

Хотя эта модель носит чисто теоретический характер, ее можно проверить экспериментально. Например, можно использовать флуоресцентные молекулы для измерения изменений температуры внутри эукариотических клеток, в которых митохондрии являются основным источником тепла. Эти колебания могут быть коррелированы с началом митоза и формой митохондриальной сети.

По словам Аттала, если это будет подтверждено будущими исследованиями, предложенная модель будет иметь несколько важных выводов. Он подчеркнул, что важный посыл состоит в том, что движущие силы развития жизни фундаментально просты. А также то, что градиенты температуры имеют значение в биохимических процессах, а клетки могут функционировать как тепловые машины.