原初のスープから生命がどのように発生したかを研究している科学者たちは、あまりにも熱心に雑然としたものを片付けようとしてきました.
40 億年前、プレバイオティクスの地球は雑然とした場所であり、さまざまな出発物質が混沌として混ざり合っていました。それでも、特定の重要な分子は、その化学的騒乱からどうにかして出現することができました.RNA、DNA、タンパク質などです。しかし、カリフォルニア州スクリプス研究所の化学者であるラマナラヤナン・クリシュナムルシーによれば、それがどのように起こったのかを理解するために、研究者は、地球の現在の住人に関連する分子を生成する反応に焦点を当てることに近視眼的であり、他の分子を見落としてきた.
「彼らは今日、生物学を前生物化学に押し付けようとしています」と彼は言いました。 「しかし、原材料から最終製品を作ろうとすると、誤解を招きます。」
「私たちは混合物を忘れています」と彼は付け加えました — そして、それにより、同じ生物学的結果につながる可能性のあるより遠回りの化学経路、生命への道の中間段階は跡形もなく消えてしまいました.
アミノ酸やヌクレオチドなどの重要な化合物を少しずつ合成し、生命をより原始的な始まりから泡立つものと考えるために、実験家が物事をクリーンで直接的に保つことを好んだことは理にかなっています.英国の MRC 分子生物学研究所の化学者であるジョン・サザーランドは、「自分のシステムにあまりにも多くのものを取り込もうとすると、すべてが劣化し始め、混乱するだけだろうと感じていました。」
しかし、適切な種類の混乱から始めることは、より現実的であるだけでなく、生命に不可欠な物質を生成するのにより効果的であると同時に、より純粋なシステムを悩ませてきた問題を排除することが研究によって示され始めています.ジョージア工科大学の化学者であるニコラス・ハッド氏は、「人々が通常使用する分離された反応物だけでなく、混合物を使用する場合もあり、より良い結果が得られます.混合物を考慮に入れると、地球上での生命の出現は、ある意味で「私たちが思っているほど難しくない」.
これまでで最も説得力のある証拠として、クリシュナムルシーと彼の研究室のポスドク研究員であるスベンドゥ ボーミックは、キメラ RNA-DNA 分子のシステム (RNA と DNA の両方の化学単位から構築された分子) がどのようにして純粋な RNA と純粋な DNA を生成するかを調べました。純粋に始めたシステムよりも簡単です。今日、Nature Chemistry に掲載された作品 、多様で複雑な成分のブレンドが生命の初期の進化にどれほど重要であったかを強調しています.
ハイブリッド モンスターを手に入れよう
何十年にもわたって生命の起源の研究者を悩ませてきた物語は、RNA の世界のシナリオです。 RNA はそれ自体のコピーを作成しましたが、後に進化し、複製のより安定したパートナーとして DNA を発明しました。ペプチドは途中でダンスに参加しました。この理論は主に、RNA が遺伝物質としても触媒としても機能するという発見によって裏付けられています。つまり、RNA は生命の歴史の初期にこれらの役割を果たし、その後 DNA とタンパク質にバトンを渡しました。
しかし、RNA の世界は完璧な解決策ではありません。おそらく最大の障害は、実験室で純粋な RNA を持続的に複製するのに深刻な問題があったことです。自分自身のコピーを作成するための最初のステップとして、RNA の 1 本鎖は周囲から相補的なヌクレオチド構成要素を取り込み、それらをつなぎ合わせることができます。しかし、ペアになった RNA 鎖は互いに非常に強く結合する傾向があるため、助けなしではほどけないため、さらなる RNA 鎖の触媒またはテンプレートとして機能することができなくなります。
「それは本当の挑戦です」とサザーランドは言いました。 「それは長い間、フィールドを妨げてきました。」
しかし、純粋な RNA だけではなく、ごちゃまぜの化合物から始めれば、それを解決できるかもしれない、とクリシュナムルシーは考えました。2016 年にまさにそのような人種のるつぼを使った実験で予想外の結果が得られたからです。
彼、Hud、および彼らの同僚は、さまざまな RNA および DNA ビルディング ブロックで構成されるハイブリッド分子の特性を調査していました。彼らはこれを「キメラ」と名付けました。これは、ライオン、ヤギ、蛇の体を組み合わせたギリシャ神話の怪物にちなみます。部品。そのようなキメラは、RNA の世界から DNA も含む世界への移行に関する洞察を提供する可能性があると彼らは考えました。研究者たちは、キメラが二本鎖複合体を形成すると、純粋な RNA または純粋な DNA の二本鎖複合体よりも安定性が低いことを発見しました。当時、研究チームは、この驚くべき発見を、純粋な RNA と純粋な DNA の分子が、より混合されたものよりも、自然が好む遺伝的継承の媒体になった理由を示すものであると解釈しました。
しかし、それはクリシュナムルシーの考えにもつながりました:代わりに、キメラの不安定性がひそかに有益であり、ゲートからすぐに純粋な RNA と純粋な DNA の世界に到達するためのより自然な方法を提供するとしたら?
それが、彼と Bhowmik が彼らの新しい研究で示したことです。混合バックボーンを持つ核酸は、より弱い 2 本鎖システムを形成するため、純粋な RNA の複製を妨げる鎖分離の問題に屈することはありませんでした。さらに、複製プロセス中に、RNA-DNA キメラは新しいキメラ分子よりも純粋な RNA と純粋な DNA の鎖を優先的に合成し、純粋な核酸テンプレートよりも多くの純粋な化合物を生成しました。
生命が最終的に得た材料を得るために、早い段階で RNA をきれいに合成する必要はありませんでした。乱雑で不純なテンプレートは十分であるだけでなく、より効果的でした。 「混合物で反応を起こすと、実際に欲しがっていなくても、探している分子が自動的に得られます」とクリシュナムルシーは言いました。
このような RNA-DNA フランケンシュタイン分子は、実験のためにつなぎ合わせた単なる便利な発明ではありません。既知の生きている微生物や生き物はキメラゲノムを持っていませんが、ある研究チームが人工的にEを作成しました.大腸菌 そうする。また、酵母やその他の微生物は、そのような間違いを排除する酵素システムを持っていますが、誤ってそのような混合物を作ることが観察されています.
Krishnamurthy と Bhowmik は、RNA と TNA の混合物を使用して、キメラファーストの概念を別のシステムにも適用しました。TNA は、RNA の世界の前に出現した可能性のあるものをモデル化するためによく使用される人工ヌクレオチドです。結果は同じでした。より複雑な混合物は、純粋な RNA または純粋な TNA のシステムよりも優れていました。 「これは、混合物がクリーンな製品を生み出すという原理がおそらく非常に一般的であることを意味します」とクリシュナムルシーは言いました。 「これは RNA-DNA に固有のものではありません。」
メキシコ国立自治大学の生命起源研究者である Antonio Lazcano Araujo によると、この調査結果は、「最初の複製システムが出現する前に利用可能であったに違いない化学の不思議の国」を示しています。生命がどのように始まったかについての重要な新しい洞察をもたらします。
夜明けから夕暮れまで
実際、他のいくつかの研究では、一般にシステム化学として知られているこのアプローチに追加の利点がすでに示されています。 2015 年、Krishnamurthy、Hud、およびその共同研究者は、ペプチドのビルディング ブロックであるアミノ酸のみに注目してポリペプチド合成の起源を理解しようとするのは間違った方法である可能性があることを示しました。アミノ酸は単独ではうまく反応せず、ペプチドを生成しますが、アミノ酸と別の非常に類似した化合物 (アルファ ヒドロキシ酸) の混合物は反応します.
過去数年間の研究は、他の状況でも複雑さが純粋さよりも勝ることを示しています。たとえば、脂肪酸のみで構築された小胞は、脂肪酸と特定の塩化合物の組み合わせから形成されたものよりも安定性が低くなります.クリシュナムルシーの最新の発見は、RNA と DNA が同時に発生したことを示唆しているように見えるかもしれませんが、RNA が最初に現れてから DNA を生成するのではなく、これは 1 つの可能なシナリオを表しているに過ぎません。要点は、「私たちが当初考えていたよりも乱雑になるさまざまな方法」があり、それには評価されていない利点がある可能性があるということです.
Sutherland は、たとえば、初期のプレバイオティック混合物が RNA と DNA ではなく、RNA とペプチドを含んでいた可能性があるという証拠を発見しました。RNA の構成要素を生成する反応は、必然的にペプチド構成要素も生成します。しかしいずれにせよ、「どちらも二元論的な起源を呼び起こしている」と彼は言った。 「そしてそれは、1 つ、2 つ目、3 つ目のシステム化学のアイデアとは対照的です。」
「RNA の世界は、多くの人にとって媚薬のようなものだったと思います」とクリシュナムルシーは言いました。 「それはおとぎ話の結末のようでした。RNA が作られ、その後、誰もが幸せに暮らしました。」しかし今では、「プレバイオティクス化学では、混合物を喜んで扱うべきであり、特定の分子を 1 つだけ作る化学を見つける必要はなく、非現実的である」ことが明らかになりつつあります。
彼は現在、この種のキメラ化学のさらなる結果を探求したいと考えています。たとえば、ハイブリッド骨格を持つ他の種類の核酸を作成すると、異なる結合特性につながる可能性があります。 「バックボーンを変更すると、ルールが変更されます」とクリシュナムルシーは言いました。そこで彼は、他にどのような規則が変更される可能性があるか、またそれが、生命 (および代謝などの特定のプロセス) がどのように始まったかについて私たちが描いてきた絵にどのように影響するかをテストしています.
「人々はシステム化学の時流に乗っていると思います」と Sutherland 氏は述べています。 「具体的な結論を出すのは時期尚早です」が、この種の研究は、相互に検証し、将来の研究を導くために使用できるさまざまな理論を提供します.
それはまた、特定の理論を排除します。おそらく、原始的なスープから今日の生物学への直線的で進歩的な道に基づく仮説に別れを告げ、システム化学の複雑な混合物を受け入れるアイデアを支持する時が来ました. 「昼と夜の移り変わりを考えると、純粋に明るく輝く太陽から月のない暗い夜に変わることはありません。あなたは夕暮れを通り抜けます。」
編集者注:クリシュナムルシーとサザーランドはどちらも、サイモンズ財団が資金を提供している生命の起源に関するサイモンズ コラボレーションのメンバーです。 Quanta。
