Những tế bào đầu tiên có thể phải dựa vào nhiệt độ để phân chia

Công trình này được xuất bản trên tạp chí Biophysical Journal 1.

Các tế bào sơ khai là các túi được liên kết bằng một lớp màng bilayer và có tiềm năng tương tự như tổ tiên chung đơn bào đầu tiên (FUCA). Trên cơ sở các nguyên tắc toán học đơn giản liên quan, mô hình đề xuất cho thấy động lực chính định hướng sự tăng trưởng và sinh sản của tế bào sơ khai là sự khác biệt về nhiệt độ xuất hiện giữa phần bên ngoài và bên trong của tế bào sơ khai hình trụ như một kết quả của hoạt động hóa học bên trong.

“Động cơ ban đầu của nghiên cứu mà chúng tôi thực hiện là nhận diện các động lực chính tác động đến sự phân chia tế bào”, Romain Attal của Universcience, một trong những tác giả của nghiên cứu nói. “Điều này rất quan trọng bởi ung thư có đặc điểm là không kiểm soát được sự phân chia tế bào. Do đó, chúng ta cần phải hiểu về nguồn gốc sự sống để lý giải nó”.

Sự phân tách của một tế bào để định dạng hai tế bào con đòi hỏi sự đồng bộ của nhiều quá trình cơ học và hóa sinh bao gồm cấu trúc xương bên trong tế bào đó. Nhưng trong lịch sử của sự sống, rất nhiều cấu trúc phức hợp được thiết kế ở mức cao hơn và phải xuất hiện chậm hơn thì mới có năng lực tạo ra sự phân chia. Các tiền tế bào phải sử dụng một cơ chế phân chia đơn giản để đảm bảo sự sinh sản của chúng, trước khi xuất hiện các gene, RNA, các enzyme, và tất cả những vi cơ quan phức tạp như chúng ta thấy ngày nay, thậm chí trong những hình thức thô sơ nhất của sự sống độc lập.

Trong nghiên cứu mới, Attal đề xuất một mô hình dựa trên ý tưởng những dạng tồn tại sớm của sự sống là những dạng túi đơn giản chứa một mạng lưới cụ thể của các phản ứng hóa học – một tiền thân của dạng trao đổi chất trong tế bào hiện đại. Giả thuyết chính là các phân tử tạo ra lớp màng kép được tổng hợp bên trong tiền tế bào thông qua tỏa nhiệt, hay còn gọi là phát thải năng lượng, của các phản ứng hóa học.

Sự gia tăng chậm chạp của nhiệt độ bên trong buộc các phân tử nóng nhất di chuyển từ trong chuyển ra ngoài khỏi lớp kép. Việc di chuyển bất đối xứng này khiến cho lớp bên ngoài tăng trưởng nhanh hơn lớp bên trong. Sự tăng trưởng chênh lệch này tăng lên làm độ cong và khuếch đại bất kỳ độ co ngót cục bộ nào trong tiền tế bào cho đến khi nó phân tách làm hai. Đường cắt xuất hiện ở gần vùng nóng nhất, xung quanh khoảng giữa.

“Kịch bản này có thể được xem như tổ tiên của sự phân bào có tơ”, Attal nói. “Không có các kho lưu trữ sinh học nào có tuổi đời bốn tỉ năm nên chúng tôi không rõ đích xác là tổ tiên chung đơn bào đầu tiên chứa những gì nhưng đó có thể là một dạng túi được bọc bằng lớp lipid kép có đóng gói một vài phản ứng hóa học tỏa nhiệt”.

Dẫu vẫn thuần túy lý thuyết, mô hình này có thể được kiểm chứng bằng thực nghiệm. Ví dụ, một thí nghiệm có thể dùng các phân tử nhuộm huỳnh quang để đo đạng các biến thiên nhiệt độ bên trong các tế bào sinh vật nhân chuẩn, trong đó các ty thể là nguồn nhiệt chính. Những dao động đó có thể tương quan với sự khởi đầu của nguyên phân và với hình dạng của mạng lưới các ty thể.

Nếu các nghiên cứu trong tương lai được thực hiện, mô hình này có thể có nhiều gợi ý quan trọng, Attal nói. “Một thông điệp quan trọng là các lực điều hướng sự phát triển của sự sống về cơ bản rất đơn giản”, anh giải thích. “Bài học thứ hai là vấn đề các gradient nhiệt độ trong các quá trình sinh hóa và tế bào có thể mang chức năng như những cỗ máy tạo nhiệt”.

Thanh Phương tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2021-09-cells-temperature.html

https://scitechdaily.com/origin-of-life-the-first-cells-might-have-used-temperature-to-divide/

--------------------------------------

1. https://www.cell.com/biophysical-journal/fulltext/S0006-3495(21)00686-X