生命は地球上でどのように始まったのですか？これはあらゆる科学の中で最大かつ最も古いミステリーの 1 つであり、それを解決する手がかりは私たちの周りにあります。生物学者は、進化の歴史を記録された「生命のテープ」と想像することがあり、何度も再生すると結果が変わる可能性があります。このエピソードでは、Steven Strogatz が、テープのさまざまな部分を調査している 2 人の研究者と話します。まず、ノーベル賞を受賞した生物学者のジャック・ショスタクの話を聞いてください。彼は、シアン化物が混入した沸騰したプールがどのようにして RNA や DNA などの生命に不可欠な要素を生み出したのかを探っています。その後、古遺伝学者であり宇宙生物学者でもある Betül Kaçar の話を聞き、古代の遺伝子を復活させて、それらが現代の生活に不可欠なプロセスの進化にどのように役立ったかを学びます。
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トランスクリプト
スティーブン・ストロガッツ (00:02):私はスティーブ・ストロガッツです。これはThe Joy of Whyです 、Quanta Magazine のポッドキャスト それは、今日の科学と数学における最大の未解決の問題のいくつかにあなたを連れて行きます.このエピソードでは、生命の起源に関する現時点での最良の理解を見ていきます。生命は地球上でどのように始まったのですか?
(00:21) チャールズ・ダーウィンがかつて推測したように、生命はどこかの暖かい小さな池で始まったのでしょうか?デリケートな生物学が形作られていることを簡単に想像できるような、育み、支援的な場所ですか？あるいはもっと直観に反して、何人かの科学者が提案しているように、生命は海の奥深く、熱水噴出孔の近くで始まったのだろうか?そして、生命が始まった場所で、生命の最初の構成要素は何でしたか? RNA や DNA、アミノ酸、脂質など、今日私たちがよく耳にする分子でしたか、それとももっと単純な分子でしたか?過去数年間で、いくつかの重要な手がかりが明らかになりました。この種の質問に答えることの見返りは、生命が地球上でどのように始まったかを理解するためだけでなく、他の惑星での生命を探すのに役立ち、おそらく宇宙で私たちが一人であるかどうかを判断するのにも役立ちます.
(01:17) このすべてについて議論するために参加するのは、Jack Szostak です。ジャックは、ハーバード大学の化学およびケミカル バイオロジーの教授であり、ハーバード メディカル スクールの遺伝学の教授であり、マス総合病院の分子生物学部門の研究者でもあります。彼は、染色体の分解を防ぐ酵素であるテロメラーゼの発見に関する研究で、2009 年にノーベル賞を受賞しました。その後、ウィスコンシン大学マディソン校の細菌学助教授 Betül Kaçar が参加します。 Jack Szostak、本日はご参加いただきありがとうございます。
ジャック・ショスタク (01:53):そして、ここに来てくれてありがとう。
ストロガッツ (01:55):生命の起源についての質問から始めましょう。私が言うように、これはすべての科学における最大のミステリーの 1 つであり、それを解決しようとする試みは、史上最高の探偵小説の 1 つに思えます。地球上で生命がどのように誕生したかについて、あなたの一番の推測は何ですか?
ショスタック (02:09):では、地球の表面の環境について考える必要があると思います。RNA のビルディング ブロックが脂質やその他の物質とともに作られ、蓄積された浅い湖や池のようなものです。生物学に関連する分子。そして、太陽からのエネルギーによって RNA が複製を開始できる条件下で、RNA を内包する脂質小胞に自己集合した。そして、それはダーウィンの進化を始めることを可能にするでしょう.それらが存在するプロトセルに有用な何かを行ういくつかの RNA 配列が利点を与えるように、それらのプロトセルは集団を乗っ取り始めます。そして、あなたは走り始め、生命は徐々に複雑になり、進化してさまざまな環境に広がり、今日の私たちの周りにあるものにたどり着きます.
ストロガッツ (03:01):シナリオにはどのようなものがありますか?具体的なことを考えさせてください。子供の頃、高校で生物を学んでいたとき、私たちは皆、スタンリー ミラーとミラー-ユーリーの実験について聞いたことがあります。最初に思い出してみてください — つまり、これらの疑問のいくつかの科学的調査が始まったのはそこからですか?それで、それとも以前に見るべき場所はありますか?
ショスタック (03:22):それは確かに革命的なランドマークでした。ご存知のように、タンパク質の構成要素であるアミノ酸を一見簡単な方法で作ることができるというアイデアは、人々にとっての啓示であり、非常に多くの関心を刺激しました.スタンリーは、シカゴ大学のハロルド・ユーリーの研究室の大学院生でした。もちろん、ユーリーはノーベル賞を受賞した科学者で、重水素などの水素の同位体を発見しました。私がこの話を理解している方法は、スタンレーが、初期の地球の大気であると当時考えられていたものを模倣してみたいと言ったということです.水素、アンモニア、メタン、水など.火花放電の形と何が起こったのかを見てください。そして彼の顧問は彼にそれをしないように言った、それは決してうまくいかないだろう.そして、もちろん、そうしました。それは大成功で、あらゆる種類の興味深い分子が作られました.
わかりました、しかし、もっと注意深く見始めると、70年後から考えると、実際に作られたのは、あなたが作るかもしれない分子だけではなかったことが分かります。しかし、微量のアミノ酸が数千または数万の他の化学物質と混ざり合っており、そのうちのいくつかは生物学に関連しているものもあれば、生物学に関連しているものはほとんどありません.また、重要な構成要素の一部がまったく存在しません。したがって、それは明らかに、生命を始めるための化学反応を行う正しい方法ではないことを示しています.
ストロガッツ (05:02):わかりました。ご存知のように、あなたは RNA ワールドについて言及しました。それは私たちの物語の次の大きな概念的なものですか?あるいは、RNA ワールドと Miller-Urey の間に何かがあるのかもしれません。
ショスタック (05:12):何十年もの間、生命の起源についての考えは混乱していました。なぜなら、現代の生活のすべては他のすべてのものに依存しているためです.つまり、RNA とタンパク質の配列をコードする DNA を持っていますが、DNA を複製するにはタンパク質が必要です。そして DNA を RNA に転写するには、タンパク質を作るための RNA が必要です。つまり、システムのすべての部分が他のすべての部分を必要とします。ですから、それは一種の論理的な難問でした。その答え、解決策は、いわゆる RNA ワールドのアイデアとともにもたらされました。これは、もともと 60 年代後半にフランシス クリックやレスリー オーゲルなどの非常に頭の良い人々によって仮定されたものでした。酵素として作用する能力。
ストロガッツ (05:58):つまり、RNA が情報を運ぶだけでなく、複製などを助けるために必要な酵素になるという考えです。私は気づきませんでした — それは研究室で発見される前の仮説でした.
ショスタック (06:09):そうです、そうです。 1960 年代後半に tRNA の構造が明らかになり、人々は初めて RNA が複雑な三次元形状に折り畳まれることを発見しました。まさに、触媒センターを構築するために必要なものです。
ストロガッツ (06:25):しかし、あなたは、tRNA がどのように見えるか、つまりトランスファー RNA が発見された後に、この予測があったとおっしゃいましたね。ですから、高校の生物学について少しぼやけている人のために、それについて少し思い出させてください。 tRNA とは何ですか?
ショスタック (06:40):では、tRNA はトランスファー RNA の略です。これは比較的短い RNA 分子のセットで、長さは約 70 または 80 ヌクレオチドで、アミノ酸をリボソームに運びます。次に、リボソームの触媒機構が tRNA からアミノ酸を受け取り、成長するペプチド鎖に組み立てます。このように、タンパク質を作る上で RNA には多くの役割があります。アミノ酸を取り込む tRNA や、リボソームの RNA コンポーネントがあり、実際にすべてを調整し、触媒作用を行っていることが判明しています。そしてもちろん、メッセンジャー RNA もあります。最近では誰もがメッセンジャー RNA について知っていると思いますよね?
ストロガッツ (07:24):そうですね、モデルナやファイザーのような mRNA ワクチンがあるからです。右。つまり、メッセンジャー RNA、トランスファー RNA、そして RNA で構築されたリボソーム自体という 3 つの興味深い役割があります。これは手がかりの一部であり、手がかりについて話しているので、RNA が非常に基本的なものであることを示唆しています。
ショスタック (07:43):はい、そのとおりです。リボソームの結晶構造を解いてみると、実際に触媒部位が見えてきました。タンパク質を作るのが RNA であることは明らかです。したがって、論理的には、この種の自己参照ループから抜け出すことができます。必要なのは、今日のウイルスで見られるのと同じように、初期の生命体が遺伝物質として RNA を使用していたという考えだけです。また、彼らは RNA を触媒物質として使用しました。そのため、彼らの酵素は RNA から作られました。さて、問題はずっと単純ですよね？化学から単純な RNA ベースの細胞に移行する方法を知るか、理解する必要があります。
ストロガッツ (08:26):これは素晴らしい。つまり、シャーロック、あなたは私たちをここまで連れてきてくれました。この時点で、私たちは今、非常に重要な容疑者をつかんでいます。RNA は、地球の初期生命の物語において何らかの形で非常に重要な役割を果たしているということです。
ショスタック (08:38):つまり、RNA を取得する方法を理解する必要があります。そして、それはそれほど簡単ではありません.
ストロガッツ (08:44):あはは。そして、それは特にスタンリー・ミラーの稲妻火花ザッピングに現れたものではありません.そうです、私が思い出したように、彼らはその実験で RNA をまったく生成しませんでした。
ショスタック (08:55):そうです。しかし、アデニンのような一部の成分の痕跡があった可能性があります。実際には、シアン化物はミラー-ユーリー型の実験で作られ、シアン化物はかなり簡単にアデニンに集合するからです.しかし、他の構成要素の多くは作成が困難です。
ストロガッツ (09:14):ええと、あなたが取り上げたので、シアン化物について話すべきかもしれません.これを聞いている多くの人は、シアン化物が人を殺す方法だと考えてぞっとするでしょう。
ショスタック (09:22):生命のすべての分子を構築するための最良の出発物質がシアン化物であることが判明したことは、この分野全体の素敵な皮肉の 1 つだと思います.
ストロガッツ (09:31):これはすごい。では、これについて詳しく教えてください。
ショスタック (09:34):つまり、60 年代か 70 年代にさかのぼると、シアン化物がそれ自体と反応し始めると、非常に豊富な化学的性質を持つことが実際に知られていたと思います。また、Joan Oró によって行われた重要な実験があり、シアン化物が集まってかなり効率的にアデニンを生成できることが示されました。そして多くの人が、シアン化物や関連化合物から始めて RNA の他の構成要素にたどり着く方法に取り組みました.
(10:06) シアン化物に関する問題の 1 つは、大気中でシアン化物を生成できることですが、非常に希薄な溶液として地表に降り注いでしまいます。それはあまり役に立ちません。それを濃縮して保管する方法が必要です。これには非常に注目すべきシンプルで効果的な解決策があります。それは、フェロシアン化物と呼ばれる非常に安全で毒性のない化合物を作るために、鉄でシアン化物を捕捉できるということです。したがって、特定の種類の湖では、フェロシアン化物が時間の経過とともに蓄積する可能性があります.
(10:44) 鉄は地下水から湧き出ます。シアン化物は大気中から発生します。これらは、おそらく浅い湖や池などで結合します。シアン化物の一部の塩が沈殿し、一種の沈殿物として蓄積することがあります。とにかく、それがアイデアです。つまり、濃縮シアン化物の巨大な貯蔵庫があります。
ストロガッツ (11:06):うーん。ですから、これはダーウィンの小さな池からそれほど遠くないということです.
ショスタック (11:11):アイデアは、フェロシアン化物の形でシアン化物の固体貯留層ができたということです。しかし今、化学を行うためにどのようにそれにアクセスしますか?さまざまなシナリオがありますが、基本的に加熱すると、隕石の衝突や溶岩が上を流れた場合、基本的にフェロシアン化物をさまざまな他の化合物に変換できます。より反応的です。これで、より複雑な分子の構築を開始できます。
ストロガッツ (11:44):つまり、太陽が当たるだけの問題ではなく、何か暴力的なものが必要だと言っているのですね。あなたは隕石衝突か彗星か何かについて話している.
ショスタック (11:53):ええ、または、火山 — ええ、環境は非常に火山活動が活発だったと思います。ですから、溶岩流は非常に一般的なものです。それはフェロシアン化物を変換することができます.その後、ええ、後で、物事は冷静になり、雨が降り、これらの化合物が溶解し、再び浅い湖、池になります.これで、ダーウィンの暖かい小さな池に少し近づきました。そして今、太陽光が重要な役割を果たしています。少なくともサザーランド化学では、ヌクレオチド、アミノ酸、脂質のレベルに到達するために、非常に多くの光化学反応が必要だからです。 [編集者注:Szostak が参照している プレバイオティクス化学に関する理論 支持者 ジョン・サザーランド Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology など ] しかし、基本的には、これらの化合物をすべてシアン化物から作るという考え方です。
ストロガッツ (11:54):うーん。信じられない。では、このテーマに戻らなければならないかもしれませんが、シアン化物の世界を手に入れたので、どうにかして RNA の世界に行くことができます。>
ショスタック (12:51):RNA の 4 つのビルディング ブロックのうち 2 つにたどり着くまでの経路は、おそらく 90% 解決されたと思いますか?そして、最大のステップの 1 つと言えます。私たちはこのエネルギーをすべて太陽光から得ていますよね?しかし問題は、そのエネルギーをどのようにして有用な形のエネルギー、つまりこれらの構成要素を駆動して長い RNA 鎖に凝縮させることができる一種の化学エネルギーに変換するかということです。それが解決されていないことには、誰もが同意すると思います。
ストロガッツ (13:25):それで、あなたは私たちに、一種の三重の脅威としての RNA の美徳について多くのことを話してくれました。しかし、より有名ないとこDNAについて聞いていないのは少し驚くべきことです.初期の生命の RNA と比較して、DNA には何か問題がありますか?
ショスタック (13:41):これは非常に興味深い質問です。リボザイム、RNA触媒、現代の細胞におけるRNAの役割について考えていたので、生命は間違いなくRNAだけで始まったと考えていました.しかし、最近出てきた化学からのいくつかの手がかりは、RNA と DNA の構成要素が同じ環境で同じ時間に同じ場所で並んで作られている可能性があることを示唆しています。したがって、1 つの可能性は、初期の遺伝物質が実際には RNA と DNA のある種の混合共重合体であったということです。私たちの実験は、RNA コピー化学が DNA をコピーする同じ反応よりも速いことを示唆しているため、RNA は早い段階で DNA を打ち負かしたと思いますが、これは非常に活発な研究分野です。多くの人がこれに取り組んでおり、合成経路はまだ解決されていません.
ストロガッツ (14:41):先ほど、あなたはもう 1 つの重要な手がかりに言及しました。それは、現代の膜は、多くの場合、おそらく常に脂質でできているということです。ですから、細胞やプロトセルの初期の作成であなたが言及した区画化という問題の側面について話さなければなりません。 P>
ショスタック (15:03):現代の生物学を見ると、細胞は膜に囲まれており、かなり複雑な構造になる傾向があります。現代の膜を構成する分子、つまり脂質は比較的複雑な分子であり、リン脂質と関連するあらゆる種類の分子です。しかし、はるかに単純な分子から非常によく似た膜を作ることができることがわかりました。脂肪酸のようなもの、基本的に石鹸。このような単純な構成要素から原始コンパートメントを作成するために必要な膜を作成できることは、非常に魅力的だと思います.
ストロガッツ (15:39):つまり、細胞全体、またはこのプロトセルのレベルで、その時点で複製がどのように行われるのか、私には理解できないと思います.
ショスタック (15:47):わかりました、私たちの居場所はわかります。そこで、数年前に、これらの原始的な膜である脂肪酸膜を成長させ、分裂させる方法を発見しました。彼らはより多くの脂肪酸を食べやすい.そして、それらを分割するのにそれほど時間はかかりません。したがって、たとえば、穏やかに振るだけで十分です。一方、RNA 配列を複製することは、はるかに難しい問題です。そういうわけで、私たちは現在、私の研究室で本当にそれに焦点を当てています.私たちは RNA 配列をコピーすることに長けています。つまり、RNA の鎖が 1 つある場合、それをテンプレートとして使用して相補鎖を構築すると、DNA の二重らせんのような二重らせんが得られます。 RNA二重らせん。しかし、その場合の大きな問題は、これらのストランドをどのように分解してコピーをコピーし、それらのコピーをコピーするかです。そして、それを行う方法についてのアイデアはありますが、まだそこに到達していません.これは、今後数年間の大きな課題です。
ストロガッツ (16:53):どうもありがとう、ジャック。これは本当に魅力的でした。本日はお時間を割いていただき、誠にありがとうございました。
ショスタック (16:59):ありがとう、スティーブ。それは私の喜びでした。生命の起源について話すのは私の好きなテーマなので、話せてうれしいです.
アナウンサー (17:09):数学、物理学、コンピューター サイエンス、生物学の最前線で何が起こっているか知りたいですか? Quanta Magazine に巻き込まれる 、シモンズ財団が支援する編集的に独立した出版物。私たちの使命は、公共サービスのジャーナリズムを通じて基礎科学と数学の研究に光を当てることです。 quantamamagazine.org にアクセスしてください。
ストロガッツ (17:36):Jack Szostak は、化学と物理学と地質学から、非生命から生命がどのように出現したかを理解しようとしています。彼は生命が存在する前の始まりから始めて、テープを進めて、生命がどのように始まったかを確認しようとしているようです。しかし、反対の戦略を試みている科学者もいます。彼らは、今日の生命について私たちが知っていることから始めて、テープをさかのぼり、進化を使って何十億年も前のはるか昔にさかのぼり、生命が最初期にどのようなものであったかを再構築しようとします。彼らが化石を使って生命の木を構築していないことを除いて.彼らは手がかりとして DNA のような分子を使用しています。
Betül Kaçar が参加します。彼女は、ウィスコンシン大学マディソン校の細菌学科の助教授です。彼女は、NASA が資金提供する主要な宇宙生物学研究イニシアチブであるプロジェクト MUSE の主任研究者でもあります。 Betül Kaçar、ここにいてくれてありがとう。
ベトゥル・カサル (18:33):お招きいただきありがとうございます。
ストロガッツ (18:34):お話しできることをとても楽しみにしています。あなたの作品が大好きです。まず、何十億年も前の生活はどのようなものだったのでしょうか？どのような手がかりを探していますか?
カサール (18:48):私たちは生い立ちを理解することに興味があります。考えてみれば、生命の起源と初期の進化は、私たちの身の回りにある複雑なものすべての設計図を作成しました。私たちはその青写真を理解することに興味があります。私たちは、特に重要な代謝、必須の反応、および必須の生物学的プロセスに焦点を当てることによって、この惑星の生命の歴史をたどるために現代の生物学的情報を使用します。それらがどのように出現し、どのように繁栄したのかを理解しようとしています。ある意味で、彼らはどのようにしてこの惑星の生命の調子を整えたのでしょうか。
ストロガッツ (19:29):あなたが言うように、今日の生物の代謝に手がかりが私たちの周りにあるというのはとてもクールなアイデアですが、どうにかしてその情報を使用して何十億年もさかのぼることができますか?
カサール (19:41):ええ、それで、現在の生物が互いにどのような共通点を共有しているかを理解しようとしていますか?これは、生命のすべての領域に存在するすべての代謝のベン図と考えることができます。そして、今日の生物に何が共通しているのか、何十億年も前に存在していた共通のプロセスとしてそれらを割り当てることができるかどうかを理解しようとしています.これが、私たちが行う最初の仮定のようなものです。そして、最初に、幼少期の研究は多くの仮定に依存していることを、非常に率直に言わなければなりません。誰もチェックボックスを持っていませんでしたし、戻ってすべてを記録し、今日に戻すためのボードを持っていた人もいませんでした。また、過去を理解するためにどのような仮定を立てるかについては、非常に注意を払っています。これは非常に難しいことです。ご存知のように、私たちはこれらのプロセスの手がかりである何か、それらのほとんどが消去されているものを見つけようとしています。つまり、これは一種のシャーロック ホームズの過去を調べる方法であり、挑戦自体が非常にエキサイティングなものになっていると思います。
ストロガッツ (20:47):素晴らしいですね。私はそのアナロジーが大好きです。パーフェクトだ。シャーロック・ホームズみたいです。つまり、演繹的な推論があるからです。手がかりはありますが、不完全です。いくつかの推測や適切な推測を行う必要があります。
カサール (20:58):その通りです。実は考古学者になりたいとずっと思っていました。そして、その夢をかなえた気がします。
ストロガッツ (21:04):興味深い。つまり、あなたは分子または生物学の考古学者か何かのようなものです。
カサール (21:09):どうぞ。古遺伝学者。ですから、これが子供の頃の夢に最も近いものです。
ストロガッツ (21:14):ご存知のように、シャーロック ホームズについて言及されていますね。別のインタビューで、あなたがしていることは眠れる森の美女を目覚めさせているような気がする、とあなたが言っているのを聞きました。
カサール (21:24):ええ、実際には美しいものもあれば、非常に醜いものもあります.
ストロガッツ (21:27):彼らは誰?それらは何ですか?
カサール (21:29):タンパク質、そして時にはそのネットワークを現在に持ち込むと、彼らは単にここにいたくありません.つまり、実験的には、実験室でそれらを研究することに興味があり、それらを精製する能力、最初にそれらを合成する能力、それらを特徴付ける能力の点で課題を増やすことができます.これらは、今日の最新のタンパク質にとっても難しい問題です。そして、数学モデル、進化モデル、および多くの推論を使用して生成し、研究室で現代の生物を宿主として使用して合成することにより生成する祖先の DNA を扱うことは、タンパク質生化学の問題に別の課題を追加します。全体。彼らは私たちにとってほとんど異質です。したがって、考えてみれば、私たちはエイリアンの分子の形を扱っていると言っても過言ではありません.かつてこの惑星に存在した過去の断片。
ストロガッツ (22:25):ええ、私たちが今話しているように、いくつかのステップが抜けているのではないかと思います。数分前、今日の代謝に関連する分子について考えるとおっしゃいましたね。あるいは、情報分子、RNA、DNA などの可能性もあると思います。そして、ある種の生命の樹や分子の樹を通して、再構築を試みます… 別の分野、言語学では、言語学者は今日の言語 — フランス語、スペイン語、ドイツ語、トルコ語 — を見て、何を再構築しようとしますか?それらが進化した可能性のある言語。そして、言語学者は、地球上でもはや話されていない古代言語がいくつかあったと信じていることを知っています.今日のヨーロッパでは、多くの言語の祖先言語のようなものと考えられているインドヨーロッパ語と呼ばれるものがあります。しかし、これは仮説であり、今日、インドヨーロッパ語を話す人はいません。あなたのプロセスは、言語ではなく分子を除いて、そのようなものであると言えるでしょうか.
カサール (23:25):とても似ています。私たちは、生命の言語、アミノ酸、DNA、およびそれらがタンパク質の形でどのように表現されるかに焦点を当てています。そして、生命の言語である DNA とアミノ酸を使用して、実際には遺伝子とその産物であるタンパク質を指し、そもそも過去を再構築しようとします。これは、言語学者が行うことと非常によく似ています。言語学者は古代言語を復活させますが、古代言語を使用する文化、それらがどのように生き残ったのか、日常生活を送るためにどのようなツールに依存していたのかを理解しようとすることも目的としています。しようとしています。私たちは、生命の初期文化を理解するために、生命の言語を再構築しようとしています.
ストロガッツ (24:12):見てみましょう。祖先の言語に類似したこれらの祖先の分子に関する情報を取得します。正確には何をしているのですか？素晴らしい言葉を借りれば、復活した分子について教えてください。
カサール (24:27):私たちは、その存在が生命の起源、または少なくとも最初の生命にまでさかのぼると考えられる分子に焦点を当てようとしています。そのため、これらは本質的で非常に古い分子であると考える傾向があります.今日私たちが知っているように、それらがすべての生命に共有されている場合、それらは存在していたに違いないか、それらの分子のバージョンが数十億年前にも存在していたに違いないと仮定します.しかし今、私たちの周りにある計算、数学的、進化的モデリングの改善、および配列の可用性の向上により、古代の DNA 配列を復活させることを試みることができます。そして、私が話しているのは何十億年、何十億年も前の遺伝子配列です。
したがって、これらは永久凍土に由来する古代の DNA 配列ではありません。これらは、3 億 35 億年前の推定シーケンスです。そして、コンピューターで予測を行ったら、実験室でこれらの遺伝子を合成します。それで、私たちはそれらを現在に戻します。そして、私たちはこれらの分子に尋ねます、わかりました、あなた自身について教えてください。あなたが住んでいた場所について教えてください。あなたの好みを教えてください。
ストロガッツ (25:38):ええと、つまり、これを聞いている多くの人は、ジュラシック パークを思い浮かべるでしょう。 .たぶん、あなたもそうかもしれませんが、人々はそれについてあなたに尋ねてきました.
カサール (25:45):ここでの主な違いは、古代生物を扱っていないことです。しかし、現代の有機体の内部で設計された断片を扱っているため、それは一種の逆です.そのため、古代生物や遺物は一切扱いません。特に、私たちは何十億年にもわたって自らを動かしてきた分子を扱っているため、保存状態がよくない DNA を岩石から抽出することはできません.
ストロガッツ (26:13):分子についてもう少し具体的に説明しましょう。何年も前に、1960 年代後半にリボソーム RNA を使っていた Carl Woese の研究について学んだことを覚えています。 ?誰もがリボソームを持っている必要がありますか?
カサール (26:30):はい。ところで、それは素晴らしいことではありませんか?
ストロガッツ (26:35):そうです、全員揃っています!バクテリア、人、象、ネズミ。
カサール (26:38):ええ、私たち全員が、RNA の形で供給された情報を処理するリボソームと考えるこの処理センターを歩き回っている有機的なコンピューターの集まりのようなものであることは、非常に興味深いことです。 、それはこの情報をほとんどの場合意味のある、つまり意味のある有用な製品に変換し、その後細胞の残りの部分に取り込まれ、これを何十億年も継続的に行います.同様の情報処理センターを持たない生命体は宇宙に存在しないかもしれないとさえ言う人もいるかもしれません。リボソームのようなものは、どこにいても、すべての生命の基盤であり、普遍的な財産でなければなりません.
ストロガッツ (27:23):私はあなたが今使ったこの言葉、あなたが言った有機的なコンピューターのフレーズに本当に感銘を受けました.しかし、それをはっきりと聞くと、リボソームは翻訳を行う有機コンピューターであり、RNA などの情報分子を入力として受け取ると、私たちの体が必要とするすべてのことを行うタンパク質などの出力を生成します。私はその比喩、または類推が大好きです。
カサール (27:46) それは生命にとって重要な要素の 1 つであり、おそらく最初の発明であり、無生物から生物への移行を触媒する可能性さえあるため、ほぼ革命です。それでも、これがどのように起こったのかはわかりません。では、なぜ私たちが今、幼生を研究しているのか分かりますか?これが私が生命の青写真で意味することであり、これらの発明、分子レベルでの革命が、何十億年も前に今日私たちの周りに見られるものの調子を整えているということです.
つまり、私たちが通過するすべての時代、そして私たちが依存するものはすべて、生物学的システムとして、何十億年も前に起こったこれらの革命に依存しています.リボソームは、生命の問題解決スキルの中核にある主要な処理センターと見なすことができます。そして、それは RNA を結合し、RNA 依存酵素を結合し、タンパク質を結合するため、RNA ワールドと複雑な細胞システムとの間に素晴らしい架け橋を作ります。つまり、生命の黎明期の早い段階で存在していたと思われるすべての要素が少しずつ含まれています。
ストロガッツ (27:46):宇宙の他の場所で生命が見つかった場合、リボソームに似た何か、そのようなものがあると思います。それはおそらく普遍的な問題だと思います.必ずしも、同じ化学を持つ私たちのものである必要はありません。しかし、リボソームが地球上で果たす役割を果たしている何かがあるに違いないとあなたは考えています.
カサール (29:06):そう思います。 Because I would think that a living system, or a system that is behaving like living, or lifelike, it should be able to sense and process its own environment. At the chemical level, I would think that something, like a translation — I like that we call it translation, it is really translating the language of the environment into language of life — must be one of the necessary components. So I would think that if we were to find life outside of our planet, somewhere else, I will argue that it will probably have something like ribosome.
Strogatz (29:39):I feel like we should still talk a little bit more specifically about your work, the resurrection issue. Like, do you, in your work, actually reconstruct ancestral ribosomal RNA? Or what — tell me what molecules, I just don’t even know what you mean when you speak about this.
Kaçar (29:56):My lab is interested — we start by understanding first, or trying to understand, how life learned how to elongate, and what the proteins functioning in this elongation step did, billions of years ago. So that was my first —
Strogatz (30:10):Hold on one second with that. So we’re talking about elongating a, what, a DNA polymer? Or an RNA, or what?
Kaçar (30:16):We are talking about how the amino acid chains are, now, elongated in leaving the ribosome.
Strogatz (30:22):Okay, okay, so elongation of the amino acid chain.
Kaçar (30:25):Elongation of the product. Exactly.
Strogatz (30:27):Are you checking, say, different strains of bacteria, or yeast? Or who are your — who are your organisms?
Kaçar (30:34):So my organisms are bacteria. We use microbes pretty much for everything in my lab. I was a postdoctoral fellow, working at NASA Astrobiology Institute at this time. So I was reading a lot of Stephen Jay Gould, watching a lot of — way too much — Star Trek , and reading way too many Daniel Dennett books, and I thought, okay, well, maybe, if we have this methodology that was developed, first as an idea, in the ’60s — the chemical paleogenetics proposed by [Linus] Pauling and [Emile] Zuckerkandl, that maybe we can use DNA and amino acids as a way to reconstruct early organisms — and then been realized by synthetic biologists in the ’90s, why can’t we use microbes as the host organisms where we now, not only reconstruct the ancient DNA molecules, but engineer them inside the organisms? And again, then resurrect them by using the modern organisms as a host?
Strogatz (31:29):Let me just underline that. I think I’m getting — I want to check that I’m with you, I think I am. That earlier researchers talked about the inference step, trying to imagine what these ancestral sequences might have been like, and then they could — assuming the genetic code was similar back then to what it is today — they could infer what the peptides would be that would result from those sequences after being translated. Your new thing is to actually make those. You know, again, assuming the conservation of the genetic code over a long period of time. That you can make those molecules, you don’t have to just think about what their sequences were, you could actually make them now.
Kaçar (32:04):Yes, make them and not only synthesize them, and analyze them outside of the cell, but also genetically modify the organisms with these ancient DNA molecules, to study the evolution of these genes in tandem with the organism over geologic time. The goal I had was perhaps we can combine synthetic biology, evolutionary biology, phylogenetic trees, and develop experimental systems to make an attempt to reconstruct these early steps.
Kaçar (32:36):Translation was screaming at us, really saying “study me!” because it’s so essential, so conserved. It’s the, sort of the M.O. [modus operandi] of every cell. And yet, we don’t understand how the early steps evolved. So instead of focusing on the ribosome, we started by focusing on the proteins around it that make this ribosome do its job. Because if you think about it, a ribosome is a little, like, diva, in a way, it’s sort of sitting on its throne. And all these other proteins, the shuttle proteins as we like to think of them, really enable its function. They’re obsessed with this core system. It’s almost like butterflies and moths flying into the light. They bring amino acids and just sort of serve this entire, you know, this macromolecule that we call a ribosome. And to me, understanding how that — as a behavior, emerges, it’s just such a challenging and important question. And that’s also what we will be pushing forward over the next decade. And I’m really excited about that.
Strogatz (33:38):So one of the things I find really intriguing about your work is that it seems like you’re not just watching how ancient genes and their products behave, but also some of the experiments that you’ve done have addressed the question of how they might have evolved over long periods of time. That is, I mean, it feels like it’s related to a thought experiment that Stephen Jay Gould once discussed, where he was imagining rewinding the tape of life and letting evolution play out again and again, and he sort of thought that the story of life would turn out different every time. How did you approach this question with actual experiments and what did you find?
Kaçar (34:15):The debate that Steve Jay Gould initiated in the literature with regards to replaying tape of life definitely fed a lot of the early experiments that I’ve done. Not only, we reconstructed early components of the translation machinery and engineered them inside bacteria, but I also set up an evolution experiment to then replay the evolution for this system that is presumably representing a fragment of billions of years into the past. And I thought that paleogenetics, resurrecting ancient DNA, inserting these ancient DNA inside modern systems, and then evolving these ancient DNA systems in the lab would perhaps be a way to realize this thought experiment of rewinding and replaying. That was the motivation.
And I also, of course, got inspired by the work of Rich Lenski, at Michigan State, that set in-laboratory evolution experiment decades ago, and is creating his own fossil record of microbes, by simply subjecting them to controlled reproduction and populating them every day for a really long time. It’s the same E.大腸菌 bacteria that I used to engineer ancient translation gene. And I followed this similar experimental evolution system to watch how bacteria that is now operating using an ancient translation protein, that it’s not happy, meaning it’s growing really slow, looks really sick, really unhealthy —
Strogatz (35:46):Really? So with the ancestral protein, it sort of looks inferior or sick. It’s messed up.
Kaçar (35:52):Oh, yeah, it messed up the organism that was — they needed each other, but they didn’t want each other. So, you know, it was like a very complicated relationship unfolding in front of me.何をする？ I mean, the organism needed the elongation factor, and the only one that it used is this one that we forced it to live with. And then to just watch how the two will communicate.
Strogatz (36:15):Wait, I want to hear more about this. So it’s like, it’s like you have some modern-day car, but you’re giving it an old, some junky old part from a long time ago or something?
Kaçar (36:24):Exactly. And essential, too. So we deleted any other copy that may be present in the genome — that’s the modern version way to present. And forced bacteria to survive only by using this particular ancient elongation protein. After this insertion — and the engineering was a little messed up — it grew almost twice as slow. And even the colonies were looking really messed up to me. But the amazing thing about experimental evolution, and what we saw, is that the organism was able to recover from the small function in a matter of just tens of generations. So the recovery was very rapid.
It made sense if you think about it because they need to, again, to get along. This is, this is not a game. This is a survival thing, and life needs to find a way, and life did. Then we spent really long years to understand how this solution came about and what mutations that bacteria accumulate to deal with this old problem.
Strogatz (37:30):Please tell us a little bit about where you’re heading next. I mean, it sounds like you’re starting to work on this multi-year project called MUSE. What is that all about?
Kaçar (37:38):We expand our studies now to understand how metals and elements play a role in early life. We obtained a pretty substantial grant from NASA. It’s a multimillion-dollar, multi-investigator, multi-year grant to explore particularly how molybdenum, iron, vanadium, and many other interesting metals factor in the emergence and evolution of metabolisms, and how such interactions impacted the rock record.
Strogatz (38:09):Fantastic. Congratulations on that. And thanks again for sharing all these interesting insights you have about origins of life and early life. It’s been a great pleasure talking to you. Thank you.
Kaçar (38:20):Thank you so much for having me.
Announcer (38:26):If you like The Joy of Why , check out the Quanta Magazine Science Podcast , hosted by me, Susan Valot, one of the producers of this show. Also, tell your friends about this podcast and give us a like or follow where you listen. It helps people find The Joy of Why podcast.
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