生命の最も深く最も古いルーツは、より複雑に進化した RNA 分子によって敷設されたという考えは、過去数十年間、生命の起源の分野を支配し、代わりにペプチドや DNA から始まった競合する理論を支配してきました。
しかし最近では、この分野は複数の主人公を含む理論にシフトしています.特に勢いを増しているのは、RNA とペプチドが複雑に共進化し、それらが混ざり合って生命が誕生したという考えです。
さて、新しい研究が Nature に掲載されました は、木の上で成長するきのこのように、初期の RNA 分子がどのようにしてペプチドがそれらの上で直接成長することを可能にしたかについてのもっともらしい経路を示唆することによって、「RNA-ペプチドの世界」に火を吹き込みます。これらのペプチドは、RNA 分子を安定化させ、空間を複雑化させた可能性があります。 2 つの生命の主要なプレーヤーが 1 つの混合された「キメラ」分子として共進化したことが、タンパク質産生のまさに始まりであり、リボソームの原始的なバージョンへの第一歩であった可能性があります。
フランスのストラスブールにある超分子科学工学研究所のジュニア グループ リーダーである Claudia Bonfio 氏は、論文にコメントを寄せて、「彼らは実際にお互いに助け合った可能性があることがわかりました」と述べています。研究により、ペプチドと RNA の両方の原材料が生命の誕生時に存在していた可能性が高いことが示されています。ボンフィオは言った.
カリフォルニア大学サンディエゴ校の化学および生化学の教授である Yitzhak Tor 氏は、この研究は生命の起源を探求するための新しい方向性を開くと述べました。 「今度は、2 つの異なる生体分子間の相互作用を考慮する必要があります。」
これは「非常に興味深いデモンストレーションです」と、ブルー マーブル宇宙科学研究所および NASA のエイムズ研究センターの研究科学者である Andro Rios 氏は述べています。
この発見はまた、生命の起源を研究している研究者を悩ませてきたニワトリが先か卵が先かという主要な難問を説明しています:リボソームの進化の前に、タンパク質はどのように形成されたのですか？タンパク質自体?
生きた化石
細胞がタンパク質を作る必要があるとき、それらの遺伝子は、それらを作るための非常に正確なレシピをコードするメッセンジャー RNA (mRNA) の長い糸を紡ぎ出します。リボソームはこれらのレシピをスライドして読み取り、アミノ酸供給業者の助けを借りて各ステップに対応するアミノ酸を組み立てます。トランスファー RNA (tRNA) と呼ばれる分子は、プロセスが展開するにつれて継続的に飛び込みます。リボソームは、成長するペプチド鎖を、tRNA によって持ち込まれたそれぞれの新しいアミノ酸に移します。これらの鎖はますます長くなり、最終的に機能性タンパク質に折り畳まれます。
しかし、タンパク質が 35 億年前に同様の方法で形成された可能性は低いです。 tRNA 分子上のペプチドを保持する結合はかなり弱いです。シェルターを提供するために利用できるリボソームがなければ、ペプチドが形成される前に水分子がこれらの結合を壊してしまい、原始世界の過酷な水の条件ではプロセスが実行不可能になります.
しかし、ほとんどの人は、おなじみのタンパク質翻訳プロセスをより単純な形で再現することに重点を置いていると、この新しい論文の上級著者であり、ミュンヘンのルートヴィヒ・マクシミリアン大学で有機化学の教授を務めるトーマス・カレルは述べています。古代の翻訳が現代の翻訳と大きく異なっていたとしたら?
カレルと彼のチームはこのアイデアを掘り下げ、原始状態で生き残った可能性のあるより強い絆を探し始めました.それが、彼らが見落とされがちな非標準ヌクレオチドと呼ばれる分子に焦点を当てた方法です. RNA の遺伝コードは通常、4 つの塩基 (アデニン、グアニン、シトシン、ウラシル) だけで書かれていますが、他の塩基を持つヌクレオチドも多くの RNA 分子に存在し、リボソームでのタンパク質産生を助けるなど、他の仕事をしています。これらの異常なヌクレオチドは、アミノ酸を tRNA 分子に結合するよりもはるかに強力な化学結合でアミノ酸に結合できます。
メリル・シャーマン/クォンタ・マガジン
2018 年の研究で、Carell と彼のチームは、古典的なヌクレオチドと非標準的なヌクレオチドがすべて、生命の夜明け前に同時に進化した可能性が高いと報告しました。トランスファーおよびリボソーム RNA の一部は、すべての生物の最後の普遍的な共通祖先に存在していました。
ここには、「システムの最も古い部分に直接隣り合って座っている古いRNA世界の遺物」がありました. 「それで、これが私たちの化石だということになりました。化石が私たちに何を教えてくれるのか見てみましょう。」
彼らは、異なる種類のペプチド成長プロセスのモデルを開発しました。彼らは、これらの異常なヌクレオチドで覆われた 2 つの RNA 鎖を想像しました。1 つには、より強い結合を使用してアミノ酸をロードしました。最初のアミノ酸を2番目の鎖にホップさせた後、彼らは最初の鎖に別のアミノ酸を再ロードすることができました.システムを周期的に加熱および冷却することで、2 本の鎖のアミノ酸間の結合を繰り返し切断および形成し、アミノ酸を一方の鎖から他方の鎖に反転させて鎖を延長することができました。
事実上、ペプチドの構築がビルディングブロックからタワーを組み立てるようなものである場合、新しいプロセスは、成長するスタックの上部にブロックを追加することによってアミノ酸を追加しますが、リボソームタンパク質合成は、下部の新しいピースの上にタワーを移動することによってタワーを拡張します.
成長するペプチド
彼らの理論をテストするには、カレルが「退屈」で「残忍な力作」と呼んだ一連の実験が含まれていましたが、最終的に、彼らはそのプロセスが実際に最大 13 アミノ酸長のペプチドを生成できることを示しました.
このプロセスは、細胞で見られるタンパク質の翻訳にはほど遠いものです。欠落している最も重要な機能は、リボソームが mRNA にコードされている特定のタンパク質の指示を翻訳していることです。新しいシステムでは、「比較的ランダムなペプチドを成長させます」と Carell 氏は述べています。
しかし、研究者たちは、ペプチドが純粋に RNA によって段階的に構築される可能性があることを示すことに成功しました。これは「これまでに行われたことのないことです」と Bonfio 氏は述べています。全体として、実証されたプロセスは、リボソームの原始的なバージョンではありませんが、分子認識に向けた重要なステップであると彼女は言いました.
「これは化学の本当に美しい例です」と、アリゾナ州立大学の准教授であり、研究には参加していないサラ・ウォーカーは述べています。しかし、彼女とグラスゴー大学の化学科長である Lee Cronin は、このシステムは過度に設計されているか、生命の誕生時に起こり得ることを模倣するにはあまりにも非現実的であると考えていました.
しかし、他の人にとっては、作品の原始世界の模倣は、さらなる研究への扉を開くことほど重要ではありません.この発見は、ペプチドと RNA が一緒に進化できることを示しているので、「これが実験的かつ化学的に可能であることは明らかです」と、オハイオ州のネイションワイド小児病院の遺伝子治療センターの研究助教授である Nizar Saad は述べています。 RNA ペプチドの世界は、「科学界が現在目指しているものです」と Saad 氏は述べています。
RNA ペプチドの世界
「私は RNA ワールド理論を置き換えたくありません」とカレルは言いました。しかし、それをより妥当なものにするために「延長が必要だと思います」。彼は、RNA とペプチドが複雑さを別々に進化させるのではなく、単一の分子として一緒に進化させ、互いの機能を補完していると考えています.
RNA とペプチドの共進化キメラは、生命の進化の最良のシナリオを提供するだろう、と Carell は述べた。彼と彼のチームは、RNA 分子がペプチドの成長を助けているだけでなく、ペプチドが RNA 分子に安定性をもたらしていることを発見しました.
キメラの構造が最終的に長く複雑になるにつれて、ペプチド部分が RNA を安定化させ、自己複製と進化を開始させた可能性があります。一方、RNA によって、ペプチド部分が化学反応を触媒するのに十分なほど洗練された構造を獲得した可能性があります。最終的に、パーツはバラバラに分裂し、リボソームで起こっていることにもっとよく似た方法で相互作用し始めた可能性があります.
カレルと彼のチームは次に、コード化された情報から特定のペプチドを成長させるために、型にはまらない RNA 分子を取得できるかどうかを知りたいと考えています。その後、ペプチドが RNA の複製を助ける可能性のある触媒機能を開発できるかどうかを確認したいと考えています。
成功するか失敗するかにかかわらず、何十億年も前に何が起こったのかを正確に知ることは常に困難です。 「時間をさかのぼることはできないので、現場で何を構築しても、誰かがいつでも言うことができます。すべてが異なって起こったと思います」とカレルは言いました。 「もし誰かがより良いモデルを思いついたら、それは大歓迎です。これが科学の発展の仕方です。」
