Alla levande varelser måste lyda fysikens lagar – inklusive termodynamikens andra lag, som säger att universums oordning, eller entropi, bara kan öka. Mycket välordnade celler och organismer verkar strida mot denna princip, men i själva verket följer de den eftersom de genererar värme som ökar universums totala entropi.
Sedan dess kvarstår frågor: Vad är den teoretiska tröskeln för hur mycket värme en levande cell måste generera för att uppfylla sina termodynamiska begränsningar? Och hur nära den gränsen närmar sig cellerna?
I en nyligen publicerad artikel i Journal of Chemical Physics har MIT-fysikern Jeremy England matematiskt modellerat replikationen av E. coli-bakterier och funnit att processen är nästan så effektiv som möjligt: E. coli producerar högst sex gånger mer värme än vad de behöver för att uppfylla kraven i termodynamikens andra lag.
”Med tanke på vad bakterien består av, och med tanke på hur snabbt den växer, vad skulle vara den minsta mängd värme som den skulle behöva avge till sin omgivning? När man jämför det med den värmemängd som den faktiskt avger är de ungefär på samma skala”, säger England, som är biträdande professor i fysik. ”Den ligger relativt nära den maximala effektiviteten.”
Englands tillvägagångssätt för att modellera biologiska system inbegriper statistisk mekanik, som beräknar sannolikheterna för olika arrangemang av atomer eller molekyler. Han fokuserade på den biologiska processen med celldelning, genom vilken en cell blir två. Under den 20 minuter långa replikationsprocessen konsumerar en bakterie mycket mat, omorganiserar många av sina molekyler – inklusive DNA och proteiner – och delar sig sedan i två celler.
För att beräkna den minsta mängd värme som en bakterie behöver generera under denna process bestämde sig England för att undersöka termodynamiken för den omvända processen – det vill säga att två celler blir en. Detta är så osannolikt att det förmodligen aldrig kommer att inträffa. Sannolikheten för att det ska inträffa kan dock uppskattas genom att man aggregerar sannolikheterna för att vända alla de mindre reaktioner som äger rum under replikationen.
En av de vanligaste reaktionerna som sker under replikationen är bildandet av nya peptidbindningar, som utgör ryggraden i proteiner. Att spontant reversera den typen av reaktion skulle ta ungefär 600 år, säger England. Antalet peptidbindningar i en typisk bakterie är cirka 1,6 miljarder, och den värmeeffekt som krävs för att bryta alla dessa bindningar är cirka 100 miljarder naturliga enheter.
”Jag skulle vara tvungen att vänta väldigt länge för att se alla dessa bindningar falla sönder”, säger England.
Om att uppskatta den väntetid som behövs för att observera en spontan omvänd replikation beräknade England att den minsta värmemängd som en bakterie behöver generera när den delar sig är lite mer än en sjättedel av den mängd som en E. coli-cell faktiskt producerar under replikationen.
”Som fysiker som försöker bidra till studiet av livet tycker jag att hans framgång är oerhört uppmuntrande”, säger Carl Franck, docent i fysik vid Cornell University. ”Med elegans ger han en kvantitativ inblick i en central aspekt av levande materia: replikering. Han har hittat det som är enkelt och intressant med något mycket komplicerat.”
Fyndet tyder på att bakterier skulle kunna växa dramatiskt snabbare än vad de gör nu och fortfarande följa termodynamikens andra lag. England säger att eftersom cellreplikation bara är en av de många uppgifter som E. coli måste utföra är det osannolikt att de skulle utvecklas till sin mest effektiva tillväxthastighet. För tillämpningar inom syntetisk biologi kan det dock vara användbart att skapa bakterier som kan dela sig snabbare, vilket den här artikeln visar är teoretiskt möjligt.
Artikeln kan också ge vissa bevis för varför DNA, och inte RNA, utvecklades som den huvudsakliga formen av genetiskt material, säger England: DNA är mer hållbart och bryter inte spontant sina bindningar lika lätt som RNA. Detta innebär att RNA kan ha en fördel jämfört med DNA eftersom det kan växa snabbare och använda tillgängliga resurser. Detta stöder en tidigare föreslagen hypotes om att RNA kan ha utvecklats först, innan livet uppstod på jorden, och att DNA dök upp senare.
”Jag tror att det är ett bra sätt att försöka få lite mer grepp om de olika sorters urvalskrafter som kan ha verkat på nukleinsyror”, säger England.
Han använder nu samma teoretiska tillvägagångssätt för att modellera hur självreplikerande celler utvecklas genom att arbeta fram nya sätt att anpassa sig till miljörelaterade fluktuationer.