얼음 주기가 초기 지구 최초의 세포 출현을 주도했을 수도 있습니다

도쿄에 있는 지구생명과학연구소(ELSI)의 연구원들은 얼음 환경이 최초의 세포 구조 출현에 결정적인 역할을 했을 수 있다는 증거를 발견했습니다. 초기 지구의 조건을 시뮬레이션한 실험에서는 반복적인 동결과 해동 주기가 원시 분자 구획의 융합과 DNA의 유지에 유리한 것으로 나타났습니다. 이 연구는 복잡한 생명체가 극도로 단순한 시스템에서 어떻게 진화했는지에 대한 새로운 관점을 열어줍니다.

이번 연구는 지방막에 의해 형성된 작은 기포인 지질 소포와 다양한 화학 성분이 열 스트레스 하에서 지질 소포의 행동에 어떤 영향을 미치는지에 초점을 맞췄습니다. 발견에 따르면 지질 불포화도가 높은 유체막이 많을수록 구획의 융합과 필수 분자의 혼합이 촉진되는 것으로 나타났습니다. 이 과정은 지구 초기에 복잡한 화학 반응에 도움이 되는 환경을 조성했을 것입니다.

다양한 지질 조성으로 구성된 원형세포

연구진은 세 가지 유형의 인지질을 사용하여 대형 단층 소포(LUV)라고 불리는 작은 구형 구획을 만들었습니다. 각 유형은 막의 거동에 영향을 미치는 뚜렷한 구조적 특성을 가지고 있습니다.

• POPC(1-팔미토일-2-올레오일-글리세로-3-포스포콜린): 단일 이중 결합을 갖는 불포화 아실 사슬로 더욱 견고한 막을 생성합니다.
• PLPC(1-팔미토일-2-리놀레오일-sn-글리세로-3-포스포콜린): 두 개의 이중 결합이 있는 불포화 아실 사슬로 더 큰 유동성을 생성합니다.
• DOPC(1,2-디-올레오일-sn-글리세로-3-포스포콜린): 두 개의 불포화 아실 사슬, 각각 이중 결합을 갖고 있어 최대 유동성 제공

ELSI의 박사과정 학생이자 해당 연구의 주요 저자인 Tatsuya Shinoda에 따르면 포스파티딜콜린을 막의 구성 요소로 선택한 것은 현대 세포와의 구조적 연속성, 생물 이전 조건에서의 잠재적 가용성 및 필수 성분을 유지하는 능력 때문이었습니다. 이들 분자는 겉보기에는 비슷하지만 구조의 유연성을 결정하는 미묘하지만 중요한 측면에서 다릅니다.

동결주기에 따른 융합과 성장

연구자들은 초기 지구에서 발생한 온도 변화를 시뮬레이션하여 동결과 해동의 반복적인 주기에 소포를 노출시켰습니다. 단 세 번의 주기 후에 구획 간에 명확한 차이가 나타났습니다. POPC가 풍부한 소포는 완전히 융합되지 않고 함께 모여 원래 구조를 유지합니다. 대조적으로, PLPC 또는 DOPC를 포함하는 것들은 훨씬 더 큰 구획으로 병합되었습니다. 막에 존재하는 PLPC의 농도가 높을수록 구조의 융합 및 성장 가능성이 커집니다.

이러한 행동은 원형세포의 진화에서 막 화학의 근본적인 역할을 강조합니다. 불포화 결합이 더 많은 지질은 막을 덜 콤팩트하게 만들고 구조적으로 더 유연하게 만듭니다. ELSI의 연구원인 노다 나츠미(Natsumi Noda)는 얼음 결정 형성의 스트레스로 인해 막이 불안정하거나 조각화될 수 있어 해동 후 구조적 재구성이 필요하다고 지적했습니다. 불포화도가 높아짐에 따라 측면 조직이 덜 조밀해지면 막 재구성 중에 소수성 영역이 더 많이 노출되어 인접한 소포와의 상호 작용이 촉진되고 에너지적으로 융합이 유리해집니다.

유전 물질의 포획 및 보유

구획 융합은 분리된 소포의 내용물이 혼합될 수 있도록 하기 때문에 특히 중요합니다. 유기 분자가 환경에 분산되어 있던 원시 지구에서 이러한 유형의 혼합물은 더 복잡한 화학 반응을 위한 필수 성분을 하나로 모을 수 있었습니다. 팀은 또한 POPC로 만든 구조와 PLPC로 만든 구조를 비교하여 DNA를 포착하고 유지하는 소포의 능력을 테스트했습니다. 결과는 PLPC 소포가 동결 및 해동 주기 이전에도 더 큰 효율성으로 DNA를 포획한다는 것을 보여주었습니다. 반복된 주기 후에 그들은 POPC 소포보다 훨씬 더 많은 유전 물질을 계속 유지했는데, 이는 지질 구성이 융합을 선호할 뿐만 아니라 중요한 분자를 보호한다는 것을 암시합니다.

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생명의 요람인 추운 환경

전통적으로 과학자들은 육지의 얼음 웅덩이나 수중 열수 분출공과 같은 환경을 생명의 기원이 될 수 있는 장소로 집중해 왔습니다. 이번 연구는 대규모 얼음 환경도 중요한 역할을 했다는 점을 시사하면서 다른 관점을 추가했다. 초기 지구에서는 광범위한 지질학적 기간에 걸쳐 얼고 녹는 주기가 반복적으로 발생했을 수 있습니다. 물이 얼면서 팽창하는 얼음 결정이 용해된 분자를 남은 액체 속으로 밀어 넣어 작은 공간에 집중시켰습니다. 이 과정은 분자와 소포 사이의 상호작용 가능성을 높여 프리바이오틱스 화학에 도움이 되는 환경을 조성할 것입니다.

동시에, 더 많은 불포화 인지질로 구성된 막은 융합되기 쉬우므로 다양한 내용물의 혼합이 촉진됩니다. 그러나 중요한 상대가 있습니다. 유체막은 융합을 촉진하지만, 동결 및 해동으로 인한 응력 중에 불안정해질 수도 있으며, 이로 인해 필수 분자의 유지가 손상되는 누출이 발생할 수도 있습니다. 초기 원형세포의 경우 구조적 안정성과 투과성 사이의 균형을 유지하는 것이 생존과 지속적인 진화에 절대적으로 중요했을 것입니다.

첫 번째 복합 세포로 가는 길

ELSI 교수이자 이번 연구의 주요 연구자인 Tomoaki Matsuura는 삼투압이나 기계적 전단과 같은 핵분열 메커니즘을 통합함으로써 연속적인 세대에 걸쳐 동결 및 해동에 의해 유도된 성장한 소포의 반복적 선택이 달성될 수 있었을 것이라고 제안합니다. 분자 복잡성이 증가함에 따라 소포체 내 시스템, 즉 유전자에 의해 암호화된 기능은 궁극적으로 원형세포 적합성을 제어할 수 있습니다. 이는 다윈주의적 진화가 가능한 원시 세포의 출현으로 이어질 것입니다. 가장 성공적인 막 구성은 생명이 탄생하는 각 장소의 특정 환경 조건에 따라 달라졌을 것입니다.

종합해 보면, 이번 연구 결과는 동결 및 해동과 같은 단순한 물리적 과정이 기본 분자 구획에서 최초의 진화 세포로의 전환을 안내하는 데 도움이 되었을 수 있음을 시사합니다. 이 연구는 생명이 어떻게 시작되었는지에 대한 수세기 동안의 질문에 대한 명확한 답을 제공할 뿐만 아니라 극한 환경이 생물학적 복잡성의 촉매제가 되었을 수 있음을 보여줌으로써 원시 분자 구조의 회복력에 대한 새로운 조사의 길을 열었습니다.