Riassunto analitico
Le protocellule sono considerate i precursori delle moderne cellule viventi e in quanto tali sono state proposte come una possibile fase intermedia nell’evoluzione della vita sulla terra. Le protocellule presentano una struttura più semplice rispetto alla struttura delle cellule attuali, pur mantenendone - o così si suppone - le proprietà essenziali: automantenimento, crescita, replicazione
(con ereditarietà). La struttura è composta da una membrana lipidica che separa l’ambiente interno della protocellula da quello esterno. Parte del materiale interno può partecipare alla realizzazione delle caratteristiche essenziali, diventando quindi una sorta di materiale protogenetico, che determina le differenze tra le protocellule (Genetic Memories Molecules, o in breve, GMMs). Nel
modello da noi utilizzato è importante l’accoppiamento con la membrana così da permetterne la crescita e in seguito la replicazione. In particolare, nel nostro modello le GMM agiscono come catalizzatori che permettono l’aggiunta di nuovi fosfolipidi alla membrana facendola così crescere.
Una volta raggiunta una certa grandezza avviene la divisione della protocellula in due figlie che erediteranno una certa quantità di membrana e di materiale interno. In base a dove avvengono le reazioni possiamo distinguere diversi tipi di protocellule, ad esempio, con reazioni in membrana, vicino alla membrana, nel contenitore oppure le micelle.
È interessante studiare la sincronizzazione tra la crescita della membrana e la crescita delle GMM, che si suppone avvenga spontaneamente di generazione in generazione ed è importante per ottenere una replicazione sostenibile. Il problema della sincronizzazione (le condizioni in cui avviene e le sue proprietà) è stato affrontato modellando ogni protocellula tramite un sistema di equazioni differenziali che descrivono la velocità con cui crescono il materiale interno e la membrana lipidica.
Per ottenere la soluzione è stato necessario utilizzare un integratore Python che sfrutta un metodo esplicito a passo variabile.
Una parte importante della tesi riguarda l’aspetto della divisione, che può dare luogo a figli di uguale dimensione (divisione simmetrica) o di dimensione differente (divisione asimmetrica). Tale aspetto è stato trattato sia seguendo via via un singolo discendente (simulando quindi un “lignaggio”) sia sviluppando un software in grado di simulare intere popolazioni di protocellule. Si sono trovate quindi distribuzioni asintotiche sperimentali, che hanno fornito dati utili all’interpretazione delle situazioni reali e spunti per domande di tipo teorico.
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Abstract
Protocells are considered the precursors of modern living cells and they have been proposed as a possible intermediate stage in the evolution of life on earth.
Protocells have a simpler structure than the structure of current cells, while maintaining - or so it is supposed - their essential properties: self-maintenance, growth, replication (with inheritance). The structure is composed of a lipid membrane that separates the internal environment of the protocell from the external one. Part of the internal material can participate in the creation of essential characteristics, thus becoming a sort of protogenetic material, which determines the differences between protocells (Genetic Memories Molecules, or in short, GMMs). In the model we use, coupling with the membrane is important so as to allow its growth and subsequent replication. In particular, in our model GMMs act as catalysts that allow the addition of new phospholipids to the membrane, thus making it grow. Once a certain size has been reached, the protocell divides into two daughters who will inherit a certain amount of membrane and internal material. Based on where the reactions take place we can distinguish different types of protocells, for example, with reactions in the membrane, near the membrane, in the container or micelles.
It is interesting to study the synchronization between membrane growth and GMM growth, which is supposed to occur spontaneously from generation to generation and is important for achieving sustainable replication. The problem of synchronization (the conditions under which it occurs and its properties) was modeled by modeling each protocell through a system of differential equations which describe the rate at which the internal material and lipid membrane grow. To obtain the solution it was necessary to use a Python integrator that uses an explicit variable-step method.
An important part of the thesis concerns the division, which can give rise to children of the same size (symmetric division) or of different size (asymmetric division). This aspect was treated both by gradually following a single descendant (therefore simulating a "lineage") and by developing software capable of simulating entire populations of protocells. Experimental asymptotic distributions were therefore found, which provided useful data for the interpretation of real situations and ideas for theoretical questions.
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