地球上で最初の生命を再現する新たなステップ|生き物

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生命の起源における最大の謎の 1 つは、最初の生体分子がどのようにして発生したかです。今日の細胞は、生体分子の複雑な集合体を使用して、DNA、RNA、およびタンパク質を製造しています。それらの分子が存在する前、生命はどのように機能していたのでしょうか?

「RNA ワールド」として知られる支配的な理論は、RNA が最初の生物学的分子であると提案しています。 RNA は、生命に必要な 2 つの重要な特性を備えています。情報をコード化できること (DNA など) と、生物学的反応を触媒できること (タンパク質など) です。おそらく生命は、自分自身を複製し、その遺伝情報を次の世代に伝えることができる RNA または RNA 様分子から始まったのでしょう。

しかし、RNA ワールド理論には大きな穴があります。科学者たちは、実験室でそのような分子を作成することができませんでした. 1990 年代以降、RNA テンプレートの相補的なコピーを作成できる RNA 酵素またはリボザイムを作成できるようになりました。たとえば、AACU のような RNA 配列を相補的な UUGA にコピーできます。しかし、実際に RNA を複製するには、AACU から UUGA に移動し、次に AACU に戻るという 2 つの手順が必要です。もう 1 つの問題は、既存の RNA 酵素が長くて複雑な分子を作ることができないことです。

今回、科学者たちは初めて、広範囲の RNA 配列を作ることができる RNA 酵素を作り出しました。また、24 文字までの長さのほとんどの RNA 分子を複製することもできます。「私たちのリボザイムは、自然界で行われているのと同じように、塩基ごとに RNA を複製する最初のリボザイムです」と、カリフォルニア州ラホーヤにあるスクリプス研究所の研究者である David Horning 氏は述べています。ジェラルド・ジョイスと一緒に、同じくスクリプスで。この研究は今月、全米科学アカデミー紀要に掲載されました。 .

研究者は、既存のリボザイムから始めて、配列にランダムな変更を加えて、わずかに異なるバージョンを 1 兆個作成しました。次に、研究者はリボザイムのプールをチャレンジにかけました。彼らは、2 つの異なる複雑な RNA 分子を作ることができるものだけを選択しました。次に、このプロセスを 20 回繰り返して、各レベルの課題を通過した分子に、ますます厳しい課題を課して、30 文字の RNA を最速で作成できる候補を見つけました。実験的進化または試験管進化として知られるこの手法は、自然淘汰の人工バージョンです。研究者は、実験の各ラウンドの後にいくつかの新しい突然変異を導入します.

ポリメラーゼリボザイム 24-3 として知られる、新しい RNA を最も効率的に作成した分子は、驚くほどうまく機能しました。最初のテストの 2 つだけでなく、複雑な構造を持つさまざまな RNA 配列を合成できました。また、単純な RNA 分子の作成において、元のリボザイムよりもはるかに効率的でした。

最も注目に値するのは、RNA を複製する能力であり、テンプレートから相補的な RNA 配列を作成し、その配列を元の配列に翻訳します。これは、単純に RNA を作成するよりもはるかに困難であると、Horning 氏は述べています。これは、リボザイムが特定の配列を好むことが多いためです。ちょうどプラスドライバーがプラスネジの方がうまくいくように、一部のリボザイムは、RNA を構成する 4 つの化学文字の 1 つである Cs が豊富な RNA 鎖を好みます。これらのリボザイムは、CCUC などの C が豊富なテンプレートから相補的な RNA を作成できますが、プロセスの 2 番目の部分で問題が発生します。つまり、G が豊富な補体 GGAG から元の RNA を再作成します。リボザイム 24-3 にはこの問題はありませんでした。

リボザイム 24-3 は依然として大きなハードルに直面しています。他の RNA 分子をコピーできます。しかし、それ自体を複製することはできません。科学で指摘されているように :

ジョイスとホーニングは、自分自身をコピーできる分子を最終的に作成することを目標に、リボザイム 24-3 の改良を続けています。

新しい研究は、生命の起源を研究するジョイス研究室のいくつかの取り組みの 1 つにすぎません。理由は不明ですが、自然界に存在するすべての DNA と RNA は「右手系」の化学構造を持っています。 DNA や RNA を鏡で見た場合に見える「左利き」の形は、決して見つかりません。しかし、2014 年に発表された 1 つのユニークな実験で、Joyce のチームは左利きと右利きの両方の RNA をコピーできるリボザイムを作成しました。

その「交差キラル」リボザイムは、24-3 を含む他のリボザイムとは異なる働きをするため、興味深いものです。これらのリボザイムは、ジッパーの両側がくっつくように、文字の順序に従ってターゲットに結合します。しかし、クロスキラルリボザイムは、分子の配列ではなく形状に基づいて結合します。これは、右手の世界を必要としない、RNA コピー機が機能する新しいメカニズムを提供します。

2014年に実験が発表された時点で、クロスキラルリボザイムは競合他社よりも柔軟性が高かった.しかし、Horning は、リボザイム 24-3 が今や明らかな勝者であると述べた. 2014 年のリボザイムより効率的で、より複雑な分子を作ることができます。

Petr Stepanek によるこのビデオの撮影。 Ryan Griffin による編集とモーショングラフィック。音楽はカイ・エンゲル。

ビデオ: この 2 分間のビデオでは、David Kaplan が地球上の生命の起源に関する有力な理論を探っています。

編集者注:ジョイスラボはシモンズ財団から資金提供を受けています。