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5ドルのオーブントースターで生命の夜明け

神はオーブントースターから始めたのかもしれません.数年前のヤードセールで、Nicholas Hud が良い候補を見つけました。それは、ほとんど使用されていない古い黄ばんだ箱に収められた、木目調のパネルでクロムメッキされたヴィンテージのゼネラル エレクトリック モデルです。生命の化学的前駆物質を調理するのに最適な器具だと彼は考えました。彼はそれを 5 ドルで買いました。

自宅の地下室で、大学時代の息子の助けを借りて、彼はオーブンの裏側に長方形の穴を開けました。そこから自動スライド テーブル (古いドキュメント スキャナーからリサイクルされたもの) が実験用のトレイを出し入れできるようにしました。次に、インクジェット プリンターの部品にシリンジ ポンプを取り付け、トレイに定期的に水を滴下するようにシステムを調整しました。

今日、その仕掛けは、ジョージア工科大学の Hud の研究室の作業台の上に置かれています。彼は、NASA と国立科学財団が資金を提供する多大学コンソーシアムである化学進化センターを指揮しています。過去 20 年間、彼は地球上で生命がどのように発生したかを説明できる化学レシピを探し続けてきました。科学者が 1950 年代に生命の分子起源の調査を開始したとき、最初の生物学的分子は原始化合物のスープから自然発生的に形成されたと仮定しました。つまり、適切な成分が適切な条件下で適切なタイミングで幸運に結びついたのです。 Hud と彼の同僚は、生命の火花が、偶然ではなく、長い化学進化を介して、よりゆっくりと発生した可能性があることを発見しました.

トースターは彼の最新の実験場です。これは、最初の細胞生命体が出現する何百万年も前に、この進化プロセスが急速に開始されたのではないかと Hud 氏は疑っています。それは、夜に結露し、日の出とともに蒸発することを模倣しています。雨の水たまりがいっぱいになり、乾きます。沿岸のラグーンは、潮の満ち引き​​であふれ、空になります。 Hud はそれを「デイナイト マシン」と呼んでいます

昨年の春の日、彼と私は自家製のデバイスの周りに集まって、それが機能するのを見ていました。オーブンの外では、スライディング トレイのセラミック プレートにある 6 つのウェルのそれぞれに、シリンジが数滴の水を供給します。このデモでは、ウェルは空です。実験中、それらは初期の地球に存在していたと考えられているような単純な分子またはモノマーの混合物を含んでいます。トレイはオーブンの中に消え、密閉します。温度が華氏 185 度 (摂氏 85 度) まで上昇すると、水が蒸発します (初日)。数分経つと、トレイがスライドして出てきます。井戸が冷め、水が滴り落ち、トレイに流れ込みます — 2 日目です。

進化には、変化と選択という 2 つの力が必要です。モノマーの醸造物が乾燥すると、脱水によってモノマーが結合し、ポリマーと呼ばれる鎖が形成されます。ただし、混合物を再び濡らすと、それらの結合の一部が壊れます。つまり、プロセスは可逆的です。ポリマーは、新しい構成で形成、分解、および再形成することができます。それがバリエーションです。最終的に、一部のポリマーは利点に遭遇する可能性があります。たとえば、すぐにバラバラにならないように折り畳むこともできます。それが選択です。 「これらは進化の最初の生存者だった可能性があります」と Hud は言います。

原初の地球で数百万回以上のサイクルを経て、一部の生存者は、反応を触媒する能力など、他の利点を得たと彼は推測しています。それらは相互作用し、協力し始め、原始的な化学ネットワークを形成しました。遅かれ早かれ、一部のネットワークは自己複製を開始し、保護膜を獲得しました。それが生命の始まりであり、生物学的進化がバトンを引き継いだのです。細胞のような嚢は、原核生物 (細菌と古細菌) を生み出し、単細胞の真核生物 (原生動物、粘菌、藻類) を生み出し、多細胞生物 (植物と動物) を生み出し、ついに私たちを生み出しました.

Hud が正しければ、私たちの回転する惑星は、すべての始まりとなった昼夜を問わない巨大な機械でした。

すべての生命は、2 種類のポリマーに依存しています。核酸 (DNA および RNA) は、将来の世代に受け継がれる遺伝的指示を保存します。 1953 年の有名な実験で、化学者のスタンリー ミラーとハロルド ユーリーは、これらの必須分子のビルディング ブロックの多くが、生物学的プロセスの助けなしに、化学のみによって若い地球上で組み立てられた可能性があることを示しました。メタン、アンモニア、水素、水の 4 つの原始化合物の混合物に電気スパークを適用することで、タンパク質の基本単位であるアミノ酸が生成されました。同様の方法を使用して、研究者は後に、遺伝暗号を構成する核酸塩基と呼ばれる化学文字の一部を作成しました。

しかし、これらの単純なモノマーがどのようにして最初にポリマーに縫い合わされたのかは誰にもわかりませんでした.細胞内では、タンパク質は DNA の製造とコピーという複雑な仕事を行い、DNA はタンパク質を構築するための設計図を提供します。このニワトリが先か卵が先かというパラドックスに照らして、一部の研究者は、DNA からタンパク質工場に情報を運ぶ RNA を最初の生物学的ポリマーとして指名しました。おそらく、このメッセンジャー分子は、進化がこれらの役割を分割する前に、タンパク質と DNA の両方の役割を果たしていました。 1980 年代、化学者の Thomas Cech と Sidney Altman は、これが事実であった可能性があることを示しました。彼らは独立して研究を行い、一部の RNA がタンパク質のように化学反応を触媒できることを発見しました。これは、古代の分子が自分自身をコピーした可能性があることを示唆しています。

しかし、科学者はこれまでのところ、プレバイオティクス条件下で RNA を再作成することに失敗しています。彼らが最も接近したのは 2009 年で、マンチェスター大学のジョン サザーランドが率いるチームが雑誌 Nature にレシピを掲載したときでした。 RNA の基本単位をゼロから合成するため:一緒になってヌクレオチドを形成する糖リン酸に結合した核酸塩基。 RNA が複雑すぎて、タンパク質の助けなしに自発的に組み立てられない可能性があります。それが本当なら、それはもっと原始的なポリマーから発達したにちがいない、と Hud らは言う。

Hud は、RNA をストラディバリウスのヴァイオリンになぞらえています。完璧な楽器です。 「しかし、ストラディバリウスを作ることから始めるべきではありません」と彼は言います。 「誰かが弦の付いた棒を手に取り、それを伸ばして弓にするところから始めます。それが私が RNA をどのように見ているかです。この完全な分子、ポリマーの頂点をもたらすために進化した分子の長い系統の子孫として、私は RNA を見ています。」科学者が試験管内で RNA やその他の基本的なポリマーを偽造できたとしても、その結果はその真の起源を明らかにするものではありません。フランケンシュタイン博士の怪物のように、縫い合わせられた作品は、何百万年にもわたってその姿を刻み込んだ進化の過程についてほとんど語っていません。

そのため、Hud のチームは代わりに、RNA の祖先 (似たような振る舞いをするが、プレバイオティクス環境からより容易に組み立てられる分子) の検索に焦点を合わせてきました。探索は 10 年前に、構造的に RNA の核酸塩基に似ている 100 のモノマーのリストから始まりました。さまざまな条件下で数十の候補をテストした後、研究者はついに突破口を開きました。 2013 年の論文で、彼らは 2 つのモノマー、トリアミノピリミジン (TAP) とシアヌル酸 (CA) が集合して環を形成し、それが互いに重なり合い、遺伝子とほぼ同じ長さの鎖を形成することを報告しました。

フォローアップ研究で、チームは、TAP が糖と容易に結合して (悪名高い困難なステップ)、ヌクレオチドの一部に似た化合物を生成できることを示しました。 CAに追加されると、準ヌクレオチドも遺伝子様鎖にグループ化されます。しかし、これらは真のポリマーではありませんでした。実際の RNA のヌクレオチドはビーズのように紐に縫い付けられていますが、これらのユニットは磁石のように緩く結合しているだけでした。

しかし、結果はほんの始まりに過ぎませんでした。 TAP-CA 鎖のような構造が RNA の原型 (最初の未加工の器具) だったとしたら、どのようにして傑作になったのでしょうか?

Hud のオフィスは、オリジン ストーリーにインスパイアされたシーンで飾られています。壁の 1 つは、ミケランジェロのアダムの創造のレプリカです。 .別の作品には、原初の「ミルクの海」に腰掛けたヒンズー教の神ヴィシュヌと、羽毛のあるヘビとして想像されたアステカの創造者ケツァルコアトルの肖像画があります。 「私たちが人間として意識を持っている間ずっと、私たちは生命がどこから来るのか疑問に思っていました」と Hud は言います。 「科学的にもっともらしい話をまとめることができれば、それは素晴らしいことです。」

Hud は、父親が酪農業界の品質管理検査官だったロサンゼルス出身です。看護師で敬虔なクリスチャンである彼の母親は、彼をカトリック学校に16年間入学させました。しかし、彼の情熱は科学でした。彼は博士号を取得していました。 Cech と Altman が RNA のタンパク質のような能力の発見で 1989 年にノーベル賞を受賞したとき、カリフォルニア大学デービス校の生物物理学の学生でした。 「みんなが話したのはそれだけです」と Hud は回想します。彼は夢中になりました。

1999 年、彼はジョージア工科大学の学部に加わり、地球のサイクル (湿潤と乾燥、高温と低温、昼と夜) が生命のポリマーの生成を促進している可能性を調査し始めました。 1970年代、スタンレー・ミラーを含む一握りの生命起源の化学者が、大きなオーブンで時計皿の上で成分を乾燥させ、手作業で再水和することにより、タンパク質とDNAを生成しようとしました.しかし、彼らはほとんど成功していませんでした。最終的に、研究者が海底の熱水噴出孔などの乾燥した水たまりよりもエキゾチックな地元での生命の起源を探し始めたため、このアプローチは決してあまり人気がありませんでしたが、使用されなくなりました。

しかし、ハッドは、ミラーと彼の同時代の人々が正しい道を進んでいたと考えていました。乾湿サイクルは、「水のパラドックス」として知られているものを解決することによって、ポリマーを存在に導くことができた可能性があることに彼は気付きました。水は溶媒として生命に不可欠です。水は化学反応を促進し、栄養素や老廃物を運ぶのに役立ちます。しかし、生命のポリマーを作るためには、水分を取り除かなければなりません。それらをつなぎ合わせる精巧な細胞機構がなければ、タンパク質と核酸は細胞の水分環境で結合できませんでした.したがって、最初の生命のような分子は水分と乾燥の両方を必要としたに違いありません.

Hud は、前任者が中断したところから実験を開始することにしました。しかし、モノマーを湿らせて乾燥させる手動の方法は面倒でした。 「1 日に 2 回以上のサイクルを行うのはすぐに面倒になりました」と Hud 氏は回想します。 「たとえば、50 サイクルを試してみたかったとしましょう。それには、ほぼ 1 か月かかります!」

その時、彼はデイナイトマシンを作ることに決めました。彼は、フラットアイロンとピザパンを含むものを含む、いくつかのデザインをいじくり回しました.別の設計では、温度変化を利用して DNA をコピーする一般的な実験ツールである PCR マシンにロボット アームを取り付けました。彼らの最初の成功した実験の 1 つで、彼と彼のチームはそれを使用して、モノマーを何度も何度も湿らせて乾燥させるだけで、ヒドロキシ酸と呼ばれる原始的な化合物の鎖を成長させました。サイクルはラチェットのように機能しました。 PCR 装置がヒドロキシ酸と水の溶液を加熱すると、モノマーの一部が乾燥するにつれて結合しました。それらが冷却されて水が戻ったとき、結合の一部が生き残った. 「温度が低いため、逆反応が遅くなり、結合が壊れる可能性が低くなります」と Hud 氏は説明します。 「水が入ってきて、水が出ていきます。行ったり来たりです。それでも、私たちは一方向に進んでいます。つまり、ポリマーを構築しています。」彼のチームは 2014 年に調査結果を発表しました。

今年7月に発表された研究では、彼らは実験をさらに一歩進めました.アミノ酸を追加しました.乾湿サイクルごとに、ヒドロキシ酸が結合してポリマーに成長するにつれて、アミノ酸の一部がこれらの鎖に組み込まれ、タンパク質に似た配置が形成されました. Hud は、おそらく RNA の前駆体を含む同様のプロセスが初期の地球で発生した可能性が高く、化学進化の最初のステップを提供したのではないかと考えています.

これはもっともらしいシナリオだと、カリフォルニア大学サンタクルーズ校の生物物理学者であるデイビッド・ディーマーは言う。 Hud のチームは「化学的なトリックなしで」ポリマー形成を実証できたので、この理論はさらに説得力があると彼は付け加えます。

しかし、この話を本当に売り込むには、乾湿サイクルがポリマーを構築するだけでなく、触媒として機能する分子を選択できることを科学者が示さなければならない、と Deamer らは指摘している。 Hud のチームは、わずか 20 サイクルでタンパク質のような鎖を作成しました。数百回、あるいは数千回のサイクルの後、一部のチェーンは新しい方法でねじれ始めますか?手袋が手にフィットするように、別の分子を捕捉するために完全な形状のポケットを形成するでしょうか?それらは、この分子が他の分子と反応するのを助け、生命に必要な化学を調整しますか?

これらの質問に答えるために、Hud は彼のトースター オーブンに目を向けます。これには、PCR セットアップよりもいくつかの利点があります。安価でプログラミングが簡単なため、学生は簡単に実験を行うことができます。そして、それは用途が広いです。 PCR マシンでは小さなプラスチック チューブで溶液をテストする必要がありますが、トースターでは大量の液体とさまざまな表面を処理できます。 「トレイにはどんな種類のものでも置くことができます」と Hud 氏は言います。 「表面全体を岩石に似せたものにすることは可能です」。今後数か月で、彼はトースターを使用して昼夜サイクルの数を増やす予定です。 「目標は、100 回から数百回のサイクルを行うことです」と彼は言います。

カーネギー研究所の鉱物学者 Robert Hazen は、Hud のチームが単量体から触媒への道を循環させることができれば、「明らかに打ち負かすメカニズムになるでしょう」と述べています。 Hud が言うように、生命と進化のエンジンは、「星の前で回転する惑星」のように単純なものになる可能性があります。

Johnny Bontemps は、ニューヨーク州ブルックリンを拠点とするサイエンス ライターです。


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