ジェラルド ジョイスは 30 年間、生命の創造に取り組んできました。 1980 年代の大学院生として、彼は最初の RNA 分子 (遺伝情報の保存と伝達の両方が可能な DNA の化学的従兄弟) がどのようにしてより単純な単位から組み立てられたのかを研究しました。多くの科学者は、このプロセスが最初の生物につながったと考えています。 .
残念ながら、彼には問題がありました。化学レベルでは、生物学全体に深い偏見が浸透しています。 DNA や RNA などの他の核酸を構成する分子には、固有の「利き手」があります。これらの分子は 2 つの鏡像の形で存在できますが、生体内では右手のバージョンのみが見られます。利き手は生物にとって不可欠な機能を果たします。私たちの細胞を駆動する化学反応の多くは、正しい利き手の分子でのみ機能します。しかし、生命の前生物学的構成要素は、そのような圧倒的なバイアスを示さなかった.左利きの人もいれば、右利きの人もいました。では、どのようにして分子の混合物から右利きの RNA が生じたのでしょうか?
ジョイスは、他の人が彼より前に行っていたように、右利きの構成要素から RNA を構築することができました。しかし、初期の地球の状態を模倣して左巻きの分子を追加すると、すべてが停止しました。 「私たちの論文では、[両方] のフォームを同時に同じ場所に置いていると、始めることすらできないと書かれていました」とジョイスは言いました。
Nature に掲載された彼の発見 1984 年に、生命が出現するためには、何かが最初に左手分子と右手分子の間の対称性を破る必要があることを示唆しました。これは、生化学者が「鏡を割る」と呼ぶ出来事です。それ以来、科学者たちは生物学ではなく、物理学と化学のプレバイオティクスの世界で生命の利き手の起源を探すことに主に集中してきました.
30年後、ジョイスの最新の研究は、おそらく生命が最初に来たことを示しています.現在、カリフォルニア州ラホーヤのスクリプス研究所にいるジョイスとポスドク研究員のジョナサン・シェパンスキーは、左利きと右利きのビルディングブロックのスープで機能できる RNA 酵素 (RNA をコピーする物質) を作成しました。最初の生物学的分子のいくつかが対称的な世界でどのように進化したかについての潜在的なメカニズムを提供します。 Nature の 11 月 20 日号に掲載された新しい実験 、生命が最初にどのように発生したかについての議論を再活性化しています。オレゴン州ポートランド州立大学の生化学者であるナイルズ・リーマン氏は、「彼らは、可能性のある道の新しい領域を実際に切り開いた.
さらに興味深いことに、Joyce と Sczepanski の酵素は、他の RNA コピー分子とは異なる働きをします。この発見は、生命の起源に深い影響を与える可能性があります。この酵素は、これまでに開発された他の RNA ベースの酵素よりもはるかに効率的で柔軟性があり、Joyce の究極の目標である生命をゼロから作るための鍵となる可能性があります。
鏡の中のひび
有名な 19 世紀のフランスの化学者であるルイ パスツールは、化学的な利き手、つまり「キラリティー」を最初に記述しました。彼は、ワインのかすに由来する結晶が特定の方向に光をねじったという事実に戸惑いましたが、研究室で合成された同じ結晶はそうではありませんでした.顕微鏡で結晶を調べたところ、彼は合成化学物質が 2 つの鏡像の形をしており、偏光効果を打ち消していることを発見しました。ワイン由来のクリスタルは一つしかありませんでした。
科学者たちは後に、この偏見が生きている世界全体を網羅していることを発見しました。合成化学プロセスは、左利きと右利きの両方の分子を生成します。しかし、自然が分子を作るとき、生成物は左利きか右利きのどちらかです。たとえば、タンパク質を左に軽くねじるのに使用されるすべてのアミノ酸.
確かに、キラリティーは生化学の重要な要素です。スクリップスの化学エンジニアでジョイスの同僚であるドナ・ブラックモンドは、「それは分子認識の一種を提供します。分子のキラリティーは、細胞の他の成分との相互作用に影響を与えます。分子ロックは、正しい利き手の鍵でのみ開くことができます。
一部の科学者は、この生物学的バイアスが最初にどのように発生したかを説明するために天に目を向けています。一部の隕石は、タンパク質の構成要素である左手系アミノ酸がわずかに優勢であることを示しており、影響が宇宙から来たことを示唆しています。別の宇宙起源の話は、超新星から来る円偏光がバイアスを引き起こしたことを提案しています。さらに、放射性崩壊は、左手系である可能性がわずかに高い電子を生成します。このような電子が地球の表面に降り注いだことで、初期の化学が変化した可能性があります。
しかし、ほとんどの生物学者や化学者は、これらの天体物理学の理論に懐疑的です。彼らが生み出す偏見はあまりにも些細なものです。ダートマス大学の理論物理学者であるマルセロ・グライザーは、この理論は「生命と非生命の美しい結合」を生み出すと述べています。 「しかし、問題は、それらの相互作用が非常に弱く、短距離であることです。」ジョイスによると、これらの物理的な力の効果は、化学反応のノイズの中で失われるでしょう。 「宇宙のこのような小さな非対称性は、針を動かすのに十分ではありません」と彼は言いました.
生化学者は、前生物化学の偶然の発生が最初の不均衡を引き起こしたという別の提案を支持する傾向がありました.おそらく、わずかに過剰な右側のヌクレオチドがトラップされ、浅いプールまたは他のプレバイオティクス試験管で増幅された.最終的に偏見は転換点に達し、化学鏡を破り、生命の出現の舞台を整えました。ブラックモンドは、純粋に物理的および化学的手段を使用して、小さな非対称性をほぼ完全なものに変換する方法を示す広範な研究を行いました.
両手を振る
ジョイスが 30 年前にこの分野に参入したとき、研究者たちはすでにいくつかの天体物理学の理論をテストしようとしていました。しかし、ジョイスは懐疑的でした。 「おそらく偶然であるのに、なぜ普遍的な説明を見つけようと一生懸命努力しているのかと思いました。」彼は言った.
同じ頃、科学者たちは、生命の構成要素であるアミノ酸や核酸が、どのようにしてタンパク質、DNA、RNA などのより複雑な分子を自発的に形成したのかを解明しようとしていました。ジョイスは、この組み立て工程で鏡にひびが入る可能性があると考えました。混合ボックスから赤のみまたは青のみのレゴを選択する機械が単色の塔を作成するのと同じように、原初のスープから右巻きのビルディング ブロックを選択的に引き抜く反応は、すぐに右巻きの分子のみを作成し始めます。
このようなプロセスは、生命の起源における 2 つの問題を同時に解決します。つまり、鏡を壊しながら複雑な生体分子を作成します。 1980 年代のジョイスの実験は、そのアイデアをテストするために開始されましたが、その失敗により、原初のスープの成分から右利きの RNA 分子がどのように形成されるかが疑問視されました。 「めちゃくちゃでした」とジョイスは言いました。 「左利きの構成要素は、成長する鎖を毒します。」
この発見は、生命は自分自身を複製できる RNA 分子から始まったという初期の「RNA ワールド」理論にとって特に問題でした。 RNA は、DNA とタンパク質の両方の特徴を共有しているため、最初の生体分子の最有力候補です。 DNA と同様に、塩基配列で情報を運びます。そして酵素のように、化学反応を触媒することができます。 (RNA 酵素はリボザイムとして知られています。)
しかし、RNA をコピーするリボザイムが化学的に対称な世界で機能できない場合、RNA に基づく生命はどのようにして出現したのでしょうか?カナダのサイモン フレイザー大学の生化学者であるピーター ウンラウ氏は、「これは一種のショーストッパーです。ジョイスの 1984 年の実験から数十年にわたり、科学者たちは、物理的および化学的理論からキラリティーを欠く RNA 前駆体まで、この問題を回避する無数の方法を提案してきました。
既知の制限を考慮して、Joyce は、右側のブロックのみが周囲にある場合に RNA をコピーできる単純なリボザイムの作成に焦点を合わせ始めました。彼のグループはある程度の成功を収めましたが、RNA ワールド理論の要件を満たすものはありませんでした.
そこで昨年、Joyce と Szepanski はゼロから始めることにしました。彼らはランダムな右利きの RNA 分子のプールを解き放ち、それらを左利きのビルディング ブロックと一緒に試験管内で反応させました。彼らは、そのランダムな RNA 分子のプール内に、ビルディング ブロックをつなぎ合わせることができるリボザイムがあることを期待していました。次に、最良の候補 (逆の利き手の RNA をコピーできるリボザイム) を分離し、それらを複製し、新しいプールを同じ試行に何度もかけました。
わずか数か月で、彼らは驚くほど効果的なリボザイムを手に入れました。右利きのバージョンは左利きの RNA テンプレートに結合し、左利きのコピーを生成します。次に、左利きのコピーから右利きのバージョンを作成できます。テンピにあるアリゾナ州立大学の生化学者であるジョン・チャプットは、「彼らがしたことは驚くべきことです。 「それはキラリティーの起源の問題の核心に迫り、物事を前進させる確固たる証拠を提供します。」
おそらくさらに興味深いのは、酵素がどれほどうまく機能するかということです.これまでに作成された他のリボザイムは、生命を生み出すには細心の注意を払っています。それらは特定の RNA シーケンスのみを複製します。たとえば、ジャガイモは成長するが、ニンジンやエンドウ豆は成長しない土壌などです。しかし、ジョイスのリボザイムは、それ自身のものを含め、さまざまな配列を作り出すことができた.そして、それはまだ良くなっています。この論文のリボザイムは、この種の実験としては驚くほど短期間の進化である、わずか 16 ラウンドの進化の後に出現しました。これらの調査結果はまだ公開されていませんが、さらなる進化のラウンドはすでにその能力を高めています. 「素晴らしいことは、これがまだ若い酵素であることです」とリーマンは言いました. 「改善の余地はたくさんあります。」
新しいリボザイムが非常にうまく機能する理由は、その通常とは異なる動作方法にあります。通常のリボザイムは、ジッパーの両側がくっつくように、文字の配列に従ってターゲットに結合します。うまく機能しすぎて、ターゲットが動かなくなることがあります。この種の結合は、利き手が同じ 2 つの分子でのみ機能します。つまり、ジョイスのリボザイムはこの方法では結合できません。
代わりに、分子の配列ではなく形状に基づいて結合し、はるかに柔軟であることが判明したアプローチです。 「彼らはまったく新しいものを発見しました」とリーマンは言いました。 「私たちが知らないことがたくさんあることを示しています。」
科学者たちは、キラルな世界を必要としない酵素を手に入れました。ジョイス自身を含む研究者は、まだその意味を理解しようとしています.この発見は、生命が最初に進化した後にキラリティーが出現した可能性を開きます。 「対称性を破る必要はなかったのかもしれません」と Blackmond 氏は言います。
ハーバード大学の生化学者で Joyce の共同研究者の 1 人である Jack Szostak は、特にリボザイムが以前のバージョンよりもはるかに柔軟であるため、この発見に興奮しています。しかし、彼は、「人生がこのように始まったということには懐疑的です」と言いました。 Szostak は、このシナリオでは左利きと右利きの両方の RNA 酵素が同時に同じ場所で出現する必要があり、それは非常にありそうにないと主張している.
右利きの治世
キラリティーが生命の起源のいずれか後に出現した場合、疑問が残ります:なぜ右利きの RNA が勝利したのでしょうか?左巻き分子と右巻き分子は化学的に同一の特性を持っているため、いずれかが勝利する明白な理由はありません。
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ビデオ: デビッド・カプランは、地球上の生命の起源に関する有力な理論を探ります。
ジョイスと他の人々は、これは単なる偶然だと考えています。混合核酸のプールを左利きおよび右利きの RNA に変換できるリボザイムが初期の地球に出現したとしましょう。それは、左利きと右利きの 2 つの異なるグループを生み出し、それらは競合する集団のように機能した可能性があります。 「もし右手が有用な突然変異につまずいてゲームに逃げたら、鏡の向こう側が暗くなる可能性があります」とジョイスは言いました.たとえば、RNA の右利きのグループは、タンパク質を生成するなど、ある種の競争上の優位性を開発し、最終的に左利きのグループを追い越し、今日見られるバイアスを生み出した可能性があります。
片方の手が優れているかどうかを真に判断する方法は 1 つしかありません。ジョージ・チャーチとハーバード大学の共同研究者たちは、まさにそれを目指しています。細胞のすべての部分のミラー バージョンを作成できれば、合成細胞を構築し、それ以外の点では同一の左利きバージョンと右利きバージョンの生命を比較できます。
鏡像の RNA を作成するために、チャーチと彼の共同研究者はまず、鏡のビルディング ブロックをつなぎ合わせることができる鏡の酵素を作成する必要があります。ユタ大学のマイケル・ケイのチームは、そのような酵素の 1 つの通常のバージョンを化学的に合成する方法の開発をほぼ完了しました。完了すると、2 つのチームは同じアプローチを適用して、ミラー RNA を組み立てることができるミラー酵素を作成します。チャーチなどは、ミラー ライフを検出するツールも構築しています。これは、他の惑星で生命の兆候を探すときに重要であることが証明される可能性があります。
ジョイスは、人生をゼロから作ることに興味を持ち続けています。カイラリティの問題を含め、他のすべては、より大きな賞へのハードルに過ぎないと彼は言いました.
新しいリボザイムは、これまでで最高のショットを提供する可能性があります.それは生命の最も基本的な特性、つまり複製能力と進化能力をほぼ満たしています。 「彼らは、鏡像が自分自身をコピーできることを示すところまで行きました」と Chaput は言いました。 「これは複製に非常に近いものです。」次のステップは、それを繰り返し実行することです。 「鏡を見て、コピーを作成し、次に自分を鏡に映し、鏡に映っている人物のコピーを作成すると、複製ができます」と Chaput 氏は言いました。
この反復プロセスは進化の可能性を開きます。コピー中に犯したミスにより、分子は新しい形質を進化させることができるからです。 「すべての真の鍵は、ラボ内で独自に進化できるシステムをセットアップすることでした」と Unrau 氏は述べています。 「ジェリーが近くにいます。」
編集者注:Donna Blackmond、Gerald Joyce、Jack Szostak は、Simons Foundation から として資金提供を受けています。 シモンズ捜査官 .
