ジョージア工科大学の化学者であるニコラス ハッドにとって転機となったのは、2012 年 7 月、彼の学生の 2 人がゲルの小さなチューブを持って彼のオフィスに駆けつけたときでした。レモンのゼリーの塊のように見える内容物は、初期の地球で利用できた化学物質の不協和音から生命のように見えるものを構築するための 20 年間の努力の成果を表しています。
一部の生化学者にとって、リボ核酸の進化的前駆体を見つけようとするハッドの試みは、ばかげたことのように思えたかもしれません。生命の起源を説明する有力な理論 — RNA ワールド仮説として知られる — は、リボ核酸を最初の生物学的分子と見なしています。その魅力は、分子の二重性に由来します。すべての生物の設計図を提供する分子である DNA とは異なり、RNA は情報伝達体と酵素の両方の役割を果たし、反応を触媒します。つまり、この分子は、ダーウィンの進化に不可欠な 2 つの構成要素である、自身をコピーし、その遺伝暗号を伝える可能性があることを意味します。
RNAが実際に最初の生物学的分子である場合、それが最初にどのように形成されたかを発見することは、生命の誕生を明らかにするでしょう. RNA の基本的なビルディング ブロックは前生物の地球で利用可能でしたが、Hud を含む化学者は、それらを RNA 分子に組み立てようと何年も費やしてきましたが、ほとんど成功していません。おそらく最初の生物学的分子は RNA ではなく、同様の特性を持ち、プレバイオティクス成分からより容易に組み立てることができる前駆体でした。おそらく、DNA が RNA から進化したように、RNA はこのより古い分子から進化したのでしょう。
Hud のチームは、10 年前にこのアイデアを明示的に調査し始めました。数十種類の化学物質をテストした後、2012 年にゲルが形成されたとき、Hud のチームは、可能性のあるプロト RNA の世界の化学が大きく進歩したことを知りました。何年にもわたる試みの失敗の後、驚くほど単純な化学レシピによって、構造と化学成分が RNA に似た長いリボン状の分子の集合体が生成されました。
Hud はすぐに生徒たちに、反応に使用したプロトコルを暗唱するように求め、話している間にそれを走り書きしました。 「彼らがどのようにしてこのような簡単な手順で [最終製品] を取得したかを常に覚えておきたいと思いました」と彼は言いました。 2013 年 12 月、結果は Journal of the American Chemical Society に掲載されました。
メリーランド大学ボルチモア郡の生物学者スティーブン・フリーランド氏は、「私の意見では、このようなものはこれまでに見られたことがありません」と述べています. Hud が選んだ化学物質が最終的にプロト RNA の正確な構成要素になるかどうかは定かではありませんが、Freeland は Hud が「概念的な進歩を遂げた」と述べています。
ハッドは、RNA の代替化学を探求した最初の科学者ではありません。しかし、彼の反応の堅牢性はユニークです。分子は、多くの化学的誘導なしに反応して、お互いを探しているようです。 Hud らは、初期の地球の混沌とした化学の大釜で反応が起こったためには、このように簡単に作成できることが不可欠であると述べています。 「それ以前は、人々は現実世界の状況に注目していませんでした」とフリーランドは言います。 「状況がどうであれ、それが起こるように、非常に堅牢なものが必要です。」
Hud のチームは現在、その反応が原初のスープにより類似した分子の乱雑な混合物で機能するかどうかをテストしています.
Hud の化学、および一般的なプロト RNA の概念は、依然としてハードルに直面している。彼の分子は、核酸に似た繰り返し単位のポリマーのような構造を持っています。 RNA と DNA では、これらの単位の配列が情報を運ぶために不可欠であり、これらの分子が生命のコードを保存および伝達できるようにします。しかし、Hud の分子は、RNA の 4 つと比較して 2 つの化学文字しか使用しておらず、繰り返し単位は簡単に分解できます。つまり、生命の本質的な特徴である RNA の情報内容を持たないということです。
伝統的な RNA ワールド仮説の支持者は、Hud のような RNA 前駆体から RNA 自体に移行することは依然として信じられないほどの挑戦であり、おそらく RNA をゼロから作成するのと同じくらい困難であると述べています。これらの分子が生命の起源を開始するのに十分な成功を収めたとしたら、それらは今どこにあるのでしょうか?
「私にとって、プロト RNA のアイデアは、答えよりも多くの疑問を投げかけます」と、イギリスのケンブリッジにある MRC 分子生物学研究所の化学者である John Sutherland は言いました。 「RNA を化学的に組み立てるのが難しすぎるとすれば、原始生物学はどうやって RNA を発明できるのでしょうか?」
スープからストラクチャーまで
現代の細胞では、RNA 分子の調理は、糖 (リボース) を 4 つの核酸塩基 (遺伝コードを構成し、グアニン、アデニン、ウラシル、シトシンのフレーバーで構成される化学文字) の 1 つに結合する複数の酵素が関与する複雑なプロセスです。 — そして、構造の主鎖を提供するリン酸塩。別の酵素が、これら 3 つの構成要素のそれぞれの反復単位を RNA の長鎖に結び付けます。
しかし、前生物の地球には酵素がありませんでした。では、最初の RNA 分子はどのようにして形成されたのでしょうか? RNA ワールド仮説によれば、RNA は地球化学的プロセスを通じて自然に集まったということです。 生命の起源を研究している科学者たちは、過去 40 年間、これがどのように起こったのかを正確に理解しようと試み、初期の地球の化学成分を分析し、それらをまとめる化学反応を考案してきました。 「RNA を作る化学は非常に難しいので、分子が集まってこの複雑な分子を自発的に作るワンポット反応が起こるとは想像しがたいです」と Hud 氏は述べています。
科学者は、これらの成分のいくつかを酵素なしで生成することができました. 2009 年、Sutherland と共同研究者は、RNA の基本単位の 1 つをゼロから合成できることを初めて示しました。彼らは、RNA が自然界でこのように形成された可能性があると主張しているが、Hud と Freeland は、反応に必要な正確な化学的条件とステップが、前生物の地球の混沌とした化学的大釜で発生する可能性は低いと述べている.
別の仮説は、私たちが知っている RNA は、実質的な化学的および生物学的進化を遂げたというものです。 「生命の起源と遺伝暗号の起源は、もはや同義ではありません」と、メキシコシティにあるメキシコ国立自治大学の生物学者で、国際生命起源研究協会の元会長であるアントニオ・ラスカーノは述べた。 Hudの研究には関与していません。 「生物学的進化の結果であり、化学進化のほとんど説明されていない段階である遺伝子コードの重要な部分を持つことができます。」
科学者たちは、1960 年代に RNA が最初の生体分子として提案されて以来、代替の塩基または糖を含む分子を調べてきました。しかし、このアプローチでは、3 つの成分 (糖、リン酸塩、塩基) のそれぞれに多数の潜在的な置換があるため、可能な順列の圧倒的なセットが作成されます。 「化学空間は巨大になります」と Hud 氏は言います。 「何が最初に来たのかを見つけるのは本当に大きな仕事です。」
Hud のチームは塩基から始め、RNA と DNA の伝統的な塩基対のようなものを形成できる候補を探しました。 RNA では、アデニンはウラシルとのみ結合し、グアニンはシトシンとのみ結合します。情報を保存する分子の独自の能力を可能にするのは、このペアリングです。各分子は次世代のテンプレートとして機能し、その前身の一種の鏡像を作成します.
しかし、Hud は、従来の塩基とは異なり、自発的に長いポリマーに組み立てることができる塩基対も求めていました。 「何千もの分子の複雑な混合物がある場合、化学は最も速く反応するものに依存します」と Hud は言いました。 「分子は自己組織化する必要があります。」
Hud のチームのメンバーは、RNA で使用される 4 つの塩基に限定するのではなく、約 100 の構造的に類似した分子のライブラリーを検討しました。これには、前生物の地球または隕石に存在すると予測されたもののみが含まれ、必須の生命の構成要素。 「なぜ自然がこれらの 4 つを選んだのか、あるいは自然がこれら 4 つを選ぶ前に何をしたのか、このことについて考えなければ、私たちは愚かです」とフリーランドは言いました。
分子レシピ
RNA のように結合する塩基を見つけるために、Hud のチームはさまざまな条件下で化学物質を混合し始めました。数年後、研究者たちはいくつかの有望な候補、特に 2 つの分子、トリアミノピリミジン (TAP) とシアヌル酸 (CA) にたどり着きました。昨年、Journal of the American Chemical Society に掲載された論文で、研究者らはトリアミノピリミジンとシアヌル酸のわずかに変更されたバージョンが水中で自己集合し、従来の塩基対に似たものを作成することを示しました。しかし、塩基対、アデニンとウラシル、またはシトシンとグアニンの従来のデュオではなく、分子はヘキサマー、つまり6員環を形成します。六量体は互いに積み重なり、長いポリマーのような構造を形成します。彼らは、複雑な RNA のような配列に自発的に組み立てられる化学的ペアリングを発見しました。 「これがうまく機能したことに驚きました」と Hud 氏は言います。
Hud のチームは、RNA アセンブリの次の問題に取り組むことに着手しました:塩基はどのようにしてリボース糖に結合するのでしょうか?同じジャーナルに掲載された最新の論文で、研究者らはTAPとリボースが水に混ざると簡単に結合し、ヌクレオシドとして知られる分子を生成することを示しました. (この結合は糖と従来の RNA 塩基との間で形成するのが困難であったため、この発見は特に心強いものでした。) 研究者が追加したとき もう一方の塩基 CA を加えて混合物を加熱すると、遺伝子の長さほどの長いポリマーが形成されました。 Hud のチームを興奮させたのは、これらのポリマーであるゲルを作成します。
ミズーリ大学（コロンビア）の生化学者であるフランク・シュミット氏は、今回の研究には関与していないが、「現在、ゲノムをまとめている物理的な力が原始世界で再現できることを示しているため、これは重要なステップだと思う」と語った。 「彼は、星の物質 [星がもともと生成した化学物質] から始めて、RNA の基本的な特性のいくつかを備えたものを得ることができることを示しました。」
Hud の化学の優れた点は、組み立てに酵素やテンプレートを必要としないことです。分子は自然に集まってきます。
ただし、Hud のポリマーと RNA にはまだ重要な違いがあります。ボルダーにあるコロラド大学の分子生物学者である Michael Yarus 氏は、「これらの素晴らしい特性は、私たちが知っている化学から一歩離れるという代償を払っています。たとえば、RNA とは異なり、スタック内の各分子は、非共有結合として知られる比較的弱い種類の結合によって結合されています。分解して再接続できる一連の磁気ビーズのように、構造は RNA よりも簡単に分離できます。これは、ひもで結ばれたビーズに似ています。その柔軟な構造は、生命の暗号を構成する塩基配列に情報を確実に保存するポリマーの可能性を損ないます。
他の大きな疑問としては、前駆体分子が現状を維持する方が簡単だった可能性があることを考えると、これらの分子が現代の RNA に進化した理由と方法が挙げられます。伝統的な RNA の世界の支持者は、これを巨大な障害と見なしていますが、Hud は同意しません。 CA はウラシルに、TAP はわずかな化学変化でグアニンとアデニンに変換できる、と彼は述べた。彼のチームは現在、ペアを形成し、リボース糖と自己組織化できる他の候補塩基を調査しています.研究者たちは、RNA の他の構成要素である糖とリン酸塩の代替物や、結び目のついた RNA ストリングを模倣する方法でヌクレオシドを縫い合わせる方法も検討しています。最終的な結果は RNA とはかなり異なるように見えるかもしれませんが、Hud は、RNA は優れたシステムであるため、RNA の作成に有利に働き、その前駆体を絶滅に追いやるだろうと主張しています。
プロト RNA の世界に納得していない人でさえ、可能性を探る価値があると言っています。 「実際に起こったこと、可能性が非常に高いものを見つけるには、多くの経路を用意することが重要です」とヤラス氏は述べ、Hud の化学反応がその可能性の経路に沿ってどこまで移動するかはまだ明らかではないと付け加えた.
他の人たちは、さらに幅広い一連の化学的代替案を検討しています。 2013 年 11 月に発表された論文で、Freeland と共同研究者であり、東京の地球生命科学研究所の化学者である Jim Cleaves は、計算手法を使用して、タンパク質のビルディング ブロックである代替アミノ酸を調べました。チームは、RNA の構成要素についても同じことを計画しています。 「ハッドのリストは氷山の一角にすぎません」とフリーランドは言いました。 「真剣に検討すべき構造が何万もある可能性があります。」
