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生命の最初の分子は RNA ではなくタンパク質だった、と新しいモデルが示唆


地球上の生命がどのように始まったかについての科学者の推測では、タンパク質は一般的に RNA 分子に二の足を踏んでいます。しかし、初期の生体高分子がどのようにして有用な形状に折り畳まれるのに十分長く成長したかを説明する新しい計算モデルは、それを変えるかもしれません.このモデルが持ちこたえれば、現在確認のために実験室での実験を行っているこのモデルは、元の自己複製生体分子としてのタンパク質の評判を再確立する可能性があります.

生命の起源を研究している科学者にとって、ニワトリが先か卵が先かという最大の疑問の 1 つは、DNA や RNA などのタンパク質と核酸のどちらが先に生まれたのかということです。約 40 億年前、基本的な化学構成要素は、自己複製能力と、生命に不可欠な機能、つまり情報の保存と化学反応の触媒を実行する能力を持つ、より長いポリマーを生み出しました。生命の歴史の大部分において、核酸は前者の役割を担い、タンパク質は後者の役割を果たしてきました。しかし、DNA と RNA にはタンパク質を作るための指示があり、タンパク質はその指示を抽出して DNA や RNA としてコピーします。両方のジョブを単独で処理できたのはどれですか?

何十年もの間、好まれる候補は RNA でした。特に 1980 年代に RNA も折り畳まれて、タンパク質と同じように反応を触媒できることが発見されて以来。その後の理論的および実験的証拠は、より多くの RNA の形成を触媒する可能性がある RNA から生命が出現したという「RNA ワールド」仮説をさらに補強しました。

しかし、RNA は信じられないほど複雑で繊細でもあり、一部の専門家は、プレバイオティクスの世界の過酷な条件下で自然に発生した可能性があることに懐疑的です。さらに、RNA 分子とタンパク質の両方が、触媒作用を行うために長い折り畳まれた鎖の形をとる必要があり、初期の環境では、核酸またはアミノ酸のいずれかのストリングが十分に長くなるのを妨げていたようです.



ニューヨークのストーニーブルック大学の Ken Dill と Elizaveta Guseva は、カリフォルニアのローレンス バークレー国立研究所の Ronald Zuckermann と共に、全米科学アカデミー議事録で難問に対する可能な解決策を提示しました。 (PNAS ) この夏。モデルが進むにつれ、彼らのモデルは非常にシンプルです。ディルは、タンパク質のアミノ酸配列がその折り畳み構造をどのように決定するかに関係する「タンパク質折り畳み問題」に取り組むのを助けるために、1985年にそれを開発しました.彼の疎水性-極性 (HP) タンパク質フォールディング モデルは、20 個のアミノ酸を 2 種類のサブユニットとして扱い、それをネックレスの異なる色のビーズに例えました:水を好む青色のビーズ (極性モノマー) と赤色の水を嫌うビーズです。もの(非極性モノマー)。モデルは、これらのビーズのチェーンを、2 次元の格子の頂点に沿って順番に折りたたむことができます。これは、チェッカーボードの隣接する正方形にビーズを配置するのと同じです。与えられたビーズが最終的にどの正方形を占めるかは、赤い疎水性ビーズが水を避けるために凝集する傾向に依存します.

生物物理学者のディルは、1990 年代を通じてこの種の計算を使用して、タンパク質配列のエネルギー ランドスケープとフォールディング状態に関する疑問に答えました。彼がモデルを初期の地球に適用することを考えたのはごく最近のことでした。 「化学は利己的ではなく、生物学は利己的です」とディルは言いました。 「この自己奉仕の最初の種は何でしたか?」

その答えは、折り畳み可能なポリマー、つまりフォルダーマーにあると彼は考えています。彼のモデルを使用して、彼は疎水性モノマーと極性モノマーの順列の 1 つのセットを生成しました。これは、長さ 25 ビーズまでの可能なすべての赤と青のネックレスの完全な品揃えです。これらの配列のわずか 2.3% がコンパクトなフォルダーマー構造に崩壊します。そして、それらのわずか 12.7 パーセント (元のセットのわずか 0.3 パーセント) が立体構造に折り畳まれ、その表面に赤いビーズの疎水性パッチが露出します。

このパッチは、浮遊するシーケンスの疎水性セクションの魅力的で粘着性のあるランディング パッドとして機能します。単一の赤いビーズと赤い尾の鎖が同時に疎水性パッチに着地した場合、熱力学は2つのシーケンスが結合することを支持します.言い換えれば、パッチはポリマーを伸長させるための触媒として機能し、それらの反応を10倍もスピードアップします。このレートの向上は小さいですが、重要だとディルは言いました.

自己触媒折り紙

これらの細長いポリマーのほとんどは、単に途中で続行します。しかし、最終的に折り畳まれるものもあれば、元の触媒と同じように独自の疎水性パッチを持つものもあります.これが起こると、ランディング パッドを持った折り畳まれた分子は、長いポリマーをますます多く形成し続けるだけでなく、最終的に、自己触媒セットと呼ばれるものを構成することにもなり得ます。このセットでは、フォルダマーが直接的または間接的に自身のコピーの形成を触媒します。 .場合によっては、2 つ以上のフォルダーマーが、相互に形成される反応を強化することにより、相互触媒作用に関与することがあります。そのようなセットはまれですが、これらの分子の数は指数関数的に増加し、最終的にはプレバイオティック スープを引き継ぐでしょう. 「マッチに火をつけて、森に火をつけるようなものです」とディルは言いました。

「それこそが魔法のようなものです」と彼は付け加えました。「小さなイベントがそれ自体をより大きなイベントに活用する能力です。」



そして、このプロセスを開始するために必要なのは、彼のモデルが予測できる疎水性および極性成分の特定のシーケンスだけです。 「ディルのモデルは、これら 2 つの特性だけが必要であることを示しています」と、ウィーン大学の理論化学者で名誉教授であるピーター シュスターは述べています。 「これは美しい理論上の結果です。」

「これは、RNAワールド仮説に基づく生命の起源のビジョンに疑問を投げかけています」と、NASAの計算宇宙生物学および基礎生物学センターの所長であるアンドリュー・ポホリルは述べています。彼や他の科学者にとって、タンパク質は核酸よりも作りやすいため、「より自然な出発点」のように見えます。 Pohorille は、生命の初期段階で見つかった情報保存システムは、現代の細胞の核酸ベースのシステムよりも進歩していなかったと推測しています.

「タンパク質を複製する方法がわからないため、人々はタンパク質優先仮説を好まなかった」と彼は付け加えた. 「これは、RNA を複製するのと同じようにタンパク質を実際に複製することはできませんが、そのような正確な情報ストレージがなくても世界を構築して進化させることができることを示す試みです。」

この肥沃な情報豊富な環境は、RNA の出現をより歓迎するようになった可能性があります。 RNAは自己触媒作用が優れていたので、長期的には自然淘汰に有利だったでしょう. 「[ディルのような] より単純なモデルから始めれば、RNA のようなものが後で現れる可能性があり、生産ゲームで勝者になるでしょう」と、独自の単純な化学ベースのモデルに取り組んできたゲノミクス研究者のドロン ランセットは述べています。イスラエルのワイツマン科学研究所で。

ペプトイドで証拠を探す

もちろん、これらすべての鍵は実際の実験にあります。ドイツのミュンスターにあるヴェストフェリッシュ ヴィルヘルム大学の分子進化学教授である Erich Bornberg-Bauer は、次のように述べています。彼は、ディルの研究を「まさに概念実証」と表現しました。 RNA ワールド仮説と真に戦うためには、このモデルを他の理論モデルや実験室での実験研究と比較してテストする必要があります。そうでなければ、「牛が完全に弾力性のある球形の物体であると物理学者が[仮定]するのは冗談のようなものです」と、ドイツのマックス・プランク発生生物学研究所のタンパク質進化部門のディレクターであるアンドレイ・ルパスは言いました.彼はRNA-ペプチドの世界を信じています. 、 2つが共進化しました。 「どんな重要性も、最終的には経験的なアプローチから生まれます。」

そのため、PNAS に関するディルの共著者の 1 人であるザッカーマンは、 論文で、ディルの仮説を確認することを望んでいるプロジェクトに取り組み始めました.

25 年前、Dill が HP タンパク質フォールディング モデルを提案した頃、Zuckermann はペプトイドと呼ばれる人工ポリマーを作成する合成方法を開発していました。彼はこれらの非生物学的分子を使用して、タンパク質を模倣する材料を作成しました。現在、彼はペプトイドを使用して、配列がどのように折り畳まれるか、およびそれらが適切な触媒になるかどうかを調べることにより、HP モデルの予測をテストしています。この実験の過程で、Zuckermann 氏は、彼と彼の同僚は何千ものシーケンスをテストする予定であると述べました.

それは確かに厄介で難しいでしょう。ディルの HP モデルは非常に単純化されており、実生活を特徴付ける複雑な分子の詳細や化学的相互作用の多くを考慮していません。 「これは、モデルが見ることができない原子レベルの現実に遭遇することを意味します」と Zuckermann 氏は述べています。

そのような現実の 1 つは、1 組のフォルダーマーが互いの生産を触媒する代わりに凝集することかもしれません。ディルの仮説に懐疑的な人々は、疎水性パッチが他のポリマー鎖と相互作用するよりも、互いに相互作用する方がはるかに簡単になるのではないかと心配しています。しかし、Pohorille 氏によると、凝集の可能性があるからといって、自己触媒作用を開始するために疎水性パッチが必要であるという点でディル氏が間違っているわけではありません。 「現代の酵素はただの滑らかなボールではありません。酵素には、触媒作用のプロセスを助ける隙間が含まれています」と彼は説明しました.ランディング パッドを介してフォルダーマー間に凝集がある場合、結果として得られる構造もそのような特徴を持つ可能性があります。

「可能性が低いと思われる場合でも、科学はすべての仮説を検討する必要があります」とBornberg-Bauer氏は付け加えました。 「それがディルがやっていることです。」

少なくとも今のところ、RNA ワールド仮説が優勢です。それにもかかわらず、Dill と Zuckermann は、さらなる研究がもたらすものについて楽観的なままです。ディルは、このモデルを使用して、遺伝暗号がどのように、なぜ発生したかなど、生命の起源に関する他の疑問を調べることを計画しています。そして Zuckermann は、ディルの計算を確認 (または反証) することに加えて、この研究が、薬物送達、合成抗体、または診断ツールの媒体として機能できるフォルダーマーを作成するのにも役立つことを望んでいます.

「このモデルは、私のような実験家に出発点を与えてくれます」とザッカーマンは言いました。 「これらの原始的な触媒を見つけて、それらがどのように機能するかを示し、次のように言うことは困難です。これは本当に起こった可能性があります。」



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