約 40 億年前、分子は自分自身のコピーを作り始めました。これは、地球上の生命の始まりを示す出来事です。数億年後、原始生物は生命の木を構成するさまざまな枝に分かれ始めました。この 2 つの重要な出来事の間に、現存する最大のイノベーションのいくつかが出現しました。それは、細胞、遺伝子コード、およびそれらすべてを促進するエネルギー システムです。これら 3 つはすべて、私たちが知っている生命にとって不可欠なものですが、科学者は、これらの驚くべき生物学的革新がどのようにして生じたかについて、残念なことにほとんど知りません。
マサチューセッツ工科大学の地球生物学者である Greg Fournier は、次のように述べています。細胞はエネルギー代謝の前に現れたのかもしれませんし、逆かもしれません。この期間に生きていた生物から保存された化石や DNA がなければ、科学者はほとんどデータを活用できませんでした。
フルニエは、これらの進化の暗黒時代における生命の歴史を再構築する試みを主導しています — 生命が最初に出現してから、存在の果てしないもつれになるものに分裂するまでの数億年です.
Quanta Magazine の David Kaplan、Petr Stepanek、Ryan Griffin。カイ・エンゲルによる音楽
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彼は、古ゲノム学として知られる成長分野の一部として、生きている生物のゲノム データを使用して、古代の遺伝子の DNA 配列を推測しています。 Journal of Molecular Evolution で 3 月にオンラインで公開された研究では、 、フルニエは、コードに追加された最後の化学文字がトリプトファンと呼ばれる分子であることを示しました.トリプトファンは、七面鳥の夕食に含まれることで最も有名なアミノ酸です.この研究は、遺伝暗号が徐々に進化したという考えを支持しています。
同様の方法を使用して、より多くのコードの時間的順序を解読し、各文字が遺伝的アルファベットに追加された時期を特定し、細胞の出現など、生命の起源における重要な出来事の日付を特定したいと考えています.
闇の起源
生命が誕生したのは非常に昔のことであり、当時の惑星を覆っていた岩層でさえ破壊されており、初期進化の化学的および地質学的手がかりのほとんどが破壊されています。 「生命の起源と最後の共通祖先との間には大きな隔たりがあります」と、アトランタにあるジョージア工科大学の生物学者であるエリック・ゴーチャーは述べています。
科学者たちは、その期間のある時点で、生物が複雑なタンパク質を作るための青写真である遺伝子コードを使い始めたことを知っています.細胞の重要な機能を実行するのはそれらのタンパク質です。 (DNA と RNA の構造は、遺伝情報の複製と世代から世代への伝達も可能にしますが、それはタンパク質の作成とは別のプロセスです。) コードの構成要素とそれらを組み立てる分子機構は、「その一部です。オンタリオ州ハミルトンにあるマクマスター大学の生物物理学者 Paul Higgs は次のように述べています。
コードがどのように作成されたかは、ニワトリが先か卵が先かの問題です。 コードの主要なプレーヤーである DNA、RNA、アミノ酸、およびタンパク質は、化学的に複雑な構造であり、それらが連携してタンパク質を作ります。しかし、現代の細胞では、コードの構成要素を作るためにタンパク質が使用されています。では、高度に構造化されたコードはどのようにして生まれたのでしょうか?
ほとんどの研究者は、コードはアミノ酸の限られたアルファベットから作られた基本的なタンパク質から始まったと信じています.その後、これらのタンパク質がより洗練された分子を作ることを学ぶにつれて、時間の経過とともに複雑さが増しました。最終的に、それは今日見られるすべての多様性を生み出すことができるコードに発展しました.メリーランド大学ボルチモア校の生物学者であるスティーブン・フリーランドは、「英語のアルファベットがその歴史の中で余分な文字を蓄積してきたのと同じように、20個のアミノ酸からなる生命の「標準的なアルファベット」は、より単純な初期のアルファベットから進化したと長い間仮説が立てられてきました.郡。
コード内の最も初期のアミノ酸文字は、おそらく最も単純な構造であり、タンパク質ヘルパーの助けを借りずに純粋に化学的手段から作成できるものでした. (たとえば、アミノ酸のグリシン、アラニン、グルタミン酸は隕石で発見されており、さまざまな環境で自然に形成される可能性があることが示唆されています。) これらは文字 A のようなものです。 、E と S — 後に登場するものの基礎となった原初のユニット。
対照的に、トリプトファンは複雑な構造をしており、Y のようにタンパク質コードでは比較的まれです。 または Z 、それがコードへの最新の追加の 1 つであったことを科学者が理論化するように導きました。
その化学的証拠は説得力がありますが、状況に応じたものです。フルニエに入ります。彼は、古ゲノム学の研究を拡張することで、トリプトファンがコードに追加された最後の文字であることを証明できるのではないかと考えました.
最後の手紙
科学者たちは、主に古代のタンパク質が現代のタンパク質とどのように異なっているか、つまりどのように見え、どのように機能するかを解明するために、10 年以上にわたって古代のタンパク質を再構築してきました。しかし、これらの取り組みは、最後の普遍的な共通の祖先 (または研究者によると LUCA) の後の進化の期間に焦点を当てています。フルニエの研究は、これまでのどの研究よりも深く掘り下げています。そうするために、彼は比較ゲノミクスの標準的なアプリケーションを超えて移動しなければなりませんでした。 「定義上、LUCA 以前のものはすべて、ツリーの最も深い分割の先にあります」と彼は言いました。
Fournier は、RNA 文字をアミノ酸のトリプトファンとチロシンに解読するのに役立つ 2 つの関連タンパク質、TrpRS (トリプトファニル tRNA 合成酵素) と TyrRS (チロシル tRNA 合成酵素) から始めました。 TrpRS と TyrRS は、他のどのタンパク質よりも互いに密接に関連しており、同じ祖先タンパク質から進化したことを示しています。 LUCA の少し前に、その親タンパク質がわずかに変異して、異なる機能を持つこれら 2 つの新しいタンパク質が生成されました。 Fournier は計算技術を使用して、祖先のタンパク質がどのように見えるかを解読しました。
彼は祖先のタンパク質がトリプトファンを除くすべてのアミノ酸を持っていることを発見し、その追加が遺伝暗号への最後の仕上げであることを示唆しました. 「以前に推測されていたように、トリプトファンが最後に追加されたアミノ酸であることを説得力を持って示していますが、ここで行われたように実際に釘付けにされたわけではありません.
Fournier は現在、トリプトファンをマーカーとして使用して、代謝の進化、細胞と細胞分裂、遺伝のメカニズムなど、他の主要なプレ LUCA イベントの日付を特定することを計画しています。これらの 3 つのプロセスは、私たちが今日知っている生命の基礎を築いた一種の生物学的三頭政治を形成しています。しかし、それらがどのようにして誕生したかについては、ほとんどわかっていません。 「これらの基本的なステップの順序を理解すれば、生命の起源の可能性のあるシナリオを示す矢印が作成されます」とフルニエは言いました。
たとえば、代謝に関与する先祖のタンパク質がトリプトファンを欠いている場合、何らかの形の代謝が早期に進化した可能性があります。細胞分裂を指示するタンパク質にトリプトファンが散りばめられている場合、それらのタンパク質が比較的遅く進化したことを示唆しています.
生命の起源のモデルが異なれば、これら 3 つのプロセスのどれが最初に発生したかについても、さまざまな予測が立てられます。フルニエは、彼のアプローチがこれらのモデルのいくつかを除外する方法を提供することを望んでいます.ただし、これらのイベントのタイミングを決定的に整理するものではないと彼は警告しています。
Fournier は、同じ手法を使用して、他のアミノ酸がコードに追加された順序を解明することを計画しています。スクリプス研究所の分子・細胞生物学教授であるポール・シンメル氏は、「コード自体の進化は進歩的なプロセスであるという考えを本当に補強するものです」と語った.彼はこの研究には関与していなかった. 「それは、自然がこれらのタンパク質を完成させるために使用していた洗練と繊細さ、そしてこの広大な生命の木を形成するために必要な多様性を物語っています。」
