初期の地球で化学物質のスープから生命がどのように進化したかについての一般的な憶測は、多くの場合、遺伝情報の分子である DNA と RNA の起源に焦点を当てています。しかし、遺伝子の発生は、生命の起源理論が考慮しなければならない謎の 1 つにすぎません。もう 1 つは新陳代謝の上昇です。これは、環境から継続的にエネルギーを引き出し、それを生命維持に必要な分子の組み立てに導くことによって、生命を可能にする細胞内の生化学的プロセスです。これは、ほとんど前進していない複雑な問題です。
しかし、科学者たちは、その探索において重要なコーナーを曲がったところかもしれません。今日の自然化学 、ファーマン大学とスクリプス研究所の研究者は、細胞代謝の最も重要な部分の1つがどのようになったのかについての発見を発表しました.研究者たちは、その化学メカニズムが今日の細胞にある精巧な方法で、その潜在的な先駆者のほぼすべての成分が、水中で反応する2つの単純な有機化合物から簡単に形成された可能性があることを示しました.
他の科学者は、研究者の独創性と厳密な化学的専門知識だけでなく、新しい発見の重要性を称賛しました.
すべての細胞代謝の中心的な柱であり、それを暗記しなければならなかった何世代にもわたる高校の生物学の学生の悩みの種は、トリカルボン酸 (TCA) 回路、クエン酸回路、またはクレブス回路としてさまざまに知られている複雑な 10 段階の化学プロセスです。サイクル。 「TCAサイクルは現代生物学の中心にあり、食物をエネルギーに分解し、タンパク質の重要なビルディングブロックを合成するために使用されています」とファーマン大学の化学教授であるグレッグ・スプリングスティーンは述べています。の研究者であり、新しい研究の著者の 1 人です。嫌気性生物は、このサイクルを逆に実行して、二酸化炭素を脂肪と糖の有機構成要素に変換することもできます.
TCA サイクルは、最も単純な細胞でさえ、非常に多くの重要なプロセスに関与しているため、科学者は、プレバイオティック スープに定着するための初期の反応の 1 つであると疑っています。それがどのように進化したかを再構築するために、生化学者は一般に、現代の TCA サイクルに関与する 8 つの酵素を遷移金属に置き換えることによって逆方向に研究しようとしました。しかし、遷移金属は、多くの場合、目的の中間分子を生成できなかったり、生成したのと同じ速さで分解を触媒したりしました。通常、金属が機能するには、高温またはその他の極端な条件が必要でした。スペインのバレンシア大学の生化学および分子生物学の教授である Juli Peretó は、次のように述べています。 「この状況は、提案されたスキームのいくつかをかなり信じられない、または非現実的なものにします。」
スクリプス研究所の化学准教授であり、新しい論文のもう一人の共著者である、生命の起源の研究者であるラマナラヤナン・クリシュナムルシーにとって、これは「生物学的手がかりのみに焦点を当てることが、このコミュニティをどのようにこの分野での真の進歩を妨げてきたコーナーです。」
ケミストリーを追う
クリシュナムルシー、スプリングスティーン、およびその同僚たちは、まったく異なるアプローチを取りました。単純なバージョンのコンポーネントを交換して TCA サイクルの前駆体を見つけようとする代わりに、彼らは、プレバイオティクスの世界にどのような用途の広い反応物が存在していたのかを尋ねることから始め、次に、さまざまな状況下でどれだけのことができるかを調べました。 「基本的に、どのような小分子が利用可能であり、その化学的性質がどのようなものであるかを調べました」とクリシュナムルシー氏は言いました。
または、スプリングスティーンが言ったように、「私たちは化学をリードするのではなく、フォローしていました。」
彼らはたった 2 つの化合物から始めました。グリオキシレートとピルビン酸は、それぞれ 2 つと 3 つの炭素原子しか含まない 2 つの最小のアルファケト酸です。アルファ-ケト酸は、「水中での安定性と、生物学の骨格である炭素-炭素結合を形成する傾向」のために注目を集めました.
驚くべきことに、彼らは、グリオキシル酸とピルビン酸が反応して、クエン酸を除く TCA サイクルのすべての中間生成物に化学的類似体を含むさまざまな化合物を生成することを発見しました。さらに、これらの生成物はすべて、地球上の条件と互換性があるほど穏やかな温度と pH 条件で、単一の反応容器内の水中で形成されました。
クリシュナムルシーは、これらの結果を思いつくのは「恥ずかしいほど簡単」だと説明しました. 「コミュニティは金属を使用する必要があると確信しており、そうでない可能性についてはまったく考えていなかった」ため、これまでこのようなことを試みた人は誰もいなかったと彼は言いました.
Springsteen は、ほとんどの有機合成実験では、条件を厳密に調整する必要があり、開始反応物と生成物を慎重に追加および削除する必要があると指摘しました。 「比較すると、ここで発見した化学は実行するのが夢のようでした。経路を開始するために本当に必要だったのは、2 つの安定した反応物を緩衝水に落として、温かいホットプレートに貼り付けることだけでした」と彼は言いました。 「ケミストリーは非常に堅牢でした。
反応の生産性は当初の予想をはるかに超えていました。最初は、還元剤 (つまり、電子源) として機能する第 3 の試薬が存在しない場合に反応が進行するかどうかが明らかではなかったからです。その後、彼らは、水性条件下のグリオキシレートが、反応の原料として、またそれを促進するための還元剤として、同時に 2 つの仕事をしていることを発見しました。 「私たちがそれを理解していることを確信するには、何ヶ月もの実験が必要でした」とスプリングスティーンは言いました. 「私たちは 2018 年半ばまでに経路の基本的な概要を理解し、その後 2 年間かけて化学の全体像を調査し、実証しました。」
クリシュナムルシーとスプリングスティーンはどちらも、TCA サイクルの祖先がこのように出現したことを彼らの実験が証明していないことを強調しています。それらをTCAサイクル仲介者の類似物と呼んでください。それらはいかなる種類のサイクルも作成しませんでした。原理的には 1 つとして機能するように組織化できる分子の混合物です。
しかし、細胞の前駆体がそれらの分子を自由に使えるようにしていれば、生命に役立つ合成化学の一部を行っていた可能性があります。代謝の最初のドラフトはほぼ確実に粗雑で制御が不十分であり、完全なサイクルに編成されていなかった可能性さえあります.しかし、時間が経つにつれて、タンパク質も混合物の一部になるにつれて、酵素が反応の一部を制御できるようになり、実際の TCA サイクルが形成され始めた可能性があります.
現在は誤解を招く可能性があります
したがって、現代の代謝の要のようなものが温和で最小限の要求条件の下で出現した可能性があるという実証は、TCA サイクルのプレバイオティック起源をより実現可能に見せますが、金属触媒実験ではそうではありませんでした。そして、この研究に対する研究者のオープンマインドなアプローチが、それを可能にした大きな部分を占めています.
「これは重要な洞察だと思います。私たちは、今日の生物学で見られるものによって偏見を持ちすぎる可能性があります」と、この研究には関与していないアルバータ大学の化学教授である Sheref Mansy 氏は述べています。この論文は、生命の黎明期に存在していたと思われる化学物質の可能性を十分に調査することで、「何が起こるべきだったのかという狭い見方をしていたら明らかにならなかったであろうことを明らかにすることができる」ことを示しています。彼は、「多くの点で、これはゲームチェンジャーだと思います」と付け加えました。
Peretó 氏も同意見です。「私にとっての主な教訓は、代謝の起源についての考え方を再考する必要があるということです。現在の細胞にあるものから逆算すると、誤解を招く可能性があるからです。」しかし、クリシュナムルシー、スプリングスティーン、および彼らの同僚による研究は、代謝の起源を理解する上で「重要な一歩」であることに注目しながら、彼は次のように警告しました。
マンシーも、作品に対する熱意にもかかわらず、作品の解釈には慎重でした。 「代謝は構成要素を提供するだけではありません。それは実際には、細胞の低エントロピー状態を維持する一種のエネルギーの流れです」と彼は言いました.彼にとってまだ欠けているものの一部は、ある種のプロト代謝が細胞の前駆体の生存を助けたという証拠です (厳密に言えば、それらの前駆体が生きていなかったとしても)。 「この種の化学が、あるカプセル化された化学システムに別のカプセル化された化学システムに対して選択的な利点をどのように与えることができるかを理解し始めるまで...私はそれがどこに行くのかわかりません」と彼は言いました.
クリシュナムルシーは、やるべきことがもっとたくさんあることに同意します。 「次の論理的なステップは、この反応シーケンスで生成された一連の中間体が、アミノ酸、核酸塩基、糖などの他の興味深い化合物に変換される自然な機会がどのようなものかを確認することです」と彼は言いました.また、プレバイオティクスの世界でグリオキシル酸とピルビン酸の強力な供給源であった可能性があるものを特定することも必要です.
科学者がまだ代謝の起源について推測することしかできないとしても、これらの新しい結果は、研究者が正しい質問をすれば、答えが届くかもしれないという希望を提供します.そのためクリシュナムルシーは、この分野の最も偉大なパイオニアの 1 人である生化学者レスリー オーゲルの言葉を引用して、生命の起源についての話を締めくくることがよくあると言います。 「この問題の解決策を知っていると思っている人は誰でも、だまされています」と Orgel は言いました。 「しかし、これを解決できない問題だと考える人は、惑わされているのです。」
編集者注:クリシュナムルシーとマンシーは、シモンズ財団が資金を提供している生命の起源に関するシモンズ コラボレーションに所属しており、これにも資金を提供しています 編集上独立 雑誌
この記事は le Scienze でイタリア語で転載されました .
