生命の起源の研究に興味をそそる意味を持つ長い実験の後、日本の研究グループは、複雑さと驚くべきことに協力の両方を自発的に進化させた分子の試験管世界を作成したことを報告しました。何百時間もの複製の中で、1 種類の RNA が 5 つの異なる分子「種」または宿主と寄生虫の系統に進化し、「生態系の分子バージョン」の始まりのように、調和して共存し、協力して生き残りました。この研究の筆頭著者であり、東京大学のプロジェクト助教である水内氏。
以前の理論的発見を確認した彼らの実験は、複製する手段を持つ分子が、「生命の出現にとって重要なステップ」であるダーウィンの進化を通じて自然に複雑さを発達させることができることを示した.
「直接証拠を提供できます。複製中の分子が試験管内で複合体を形成すると、実際に何が起こるかを見ることができます」とミズウチ氏は述べています。
これは、研究室で複雑なレプリケーターのネットワークを進化させるための最初の、そしておそらく最も重要なステップであると、オランダのフローニンゲン大学のシステム化学教授である Sijbren Otto 氏は述べています。彼はこの研究には関与していません。 「ここに示されていることで、今後の道筋がより明確になり、これが実際にうまくいく可能性があるという楽観的な見方ができるようになります。」
ユニバーシティ カレッジ ロンドンの計算生物学者である Joana Xavier は、水内と彼の同僚による研究を、最小限のシステムがどのように複雑化できるかについての「概念の優れた証明」として称賛しました。これは「非常に重要な進歩です」と彼女は言いました。
スピーゲルマンのモンスターのスポーン
新しい実験のルーツは 1960 年代にまでさかのぼります。分子生物学者のソル スピーゲルマンが自分の研究室で「小さな怪物」と呼んだものを作成したときです。 フランケンシュタインの倍音にもかかわらず そのラベルでは、彼の小さな怪物は緑色でも、四角い眉でも、うなり声を上げても、生きていてもいませんでした。それは、試験管をそれ自体のコピーで満たす合成分子でした。
スピーゲルマンの怪物は、ウイルスゲノムに基づいた変異型 RNA 鎖でした。生物学者は、ヌクレオチドビルディングブロックとレプリカーゼと呼ばれる重合酵素の存在下でそれを加熱して混合するだけで、それを無限に複製できることを発見しました.しかし、彼はすぐに自分の分子が時間の経過とともに小さくなっていることに気付きました。不要な遺伝子を放出するコピーはより迅速に複製され、サンプルに収集され、新しい試験管に移されてさらに複製される可能性が高まりました。生きている種と同じように、彼の分子は、ガラスの世界の中でよりよく生き残るために、自然淘汰の圧力の下で突然変異と進化を始めました.
これらの研究は、分子レベルでのダーウィン進化の世界初の実験的実証であり、「自然淘汰による進化、適者生存」であると、国立衛生研究所の国立バイオテクノロジー情報センターの著名な研究者である Eugene Koonin は述べています。 「そのような状況では、適者とは単純に最速の複製を意味していました。」
スピーゲルマンの研究は、何十年にもわたるさらなる研究に影響を与えました。その多くは、生命の起源に関する研究の基礎となり、生命は自己複製 RNA 分子から生まれたという RNA ワールド仮説に燃料を提供しました。しかし、これらの研究は重要な問題に答えていません。単一の分子レプリケーターが、複数のレプリケーターの複雑なネットワークに進化する可能性はありますか?
約 10 年前、日本の大阪大学で生物情報工学の准教授を務めていた市橋典和氏は、シュピーゲルマンの試験管の世界を微調整することで答えを見つけようと試みました。 「私たちはシステムをもう少し生き生きとしたものにしようとしました」と市橋氏は言いました。
市橋と彼のチームは、RNA のコピーを作成できるレプリカーゼをコードする RNA 分子を開発しました。しかし、分子が独自のコードを翻訳するために、科学者はさらに何かを追加する必要がありました。一般的な腸内細菌 Escherichia coli から借用したリボソームやその他の遺伝子翻訳機構です。 .彼らは機械を液滴の中に埋め込み、それらを RNA と原材料の混合物に加えました。
その後、何年にもわたる退屈なミキシングと待機が始まりました。
彼らの長期実験には、複製システムを摂氏 37 度 (人体の温度または夏の暑い日の温度) でインキュベートし、新しい翻訳システムを含む新しい液滴を追加し、混合物を攪拌して複製を誘発することが含まれていました。彼らは数日ごとに試験管内の RNA 濃度を分析し、1 週間ごとに最新の混合物からサンプルを凍結しました。半年ごとに、収集されたサンプルの大規模なバッチの配列を決定し、RNA が新しい突然変異を獲得して新しい系統に進化したかどうかを確認しました。
試験管の進化
215 時間と 43 ラウンドの複製の後、研究者は興味深い結果を確認し始め、全米科学アカデミー紀要で報告しました。 元の RNA は、他の 2 つの RNA の系統に置き換えられていました。研究者が「ホスト」と表現したものは、元の分子のように、独自のレプリカーゼを使用して自分自身をコピーできました。もう一方の系統である「寄生虫」は、宿主の遺伝子発現機構を借りる必要がありました。
市橋と彼の同僚が実験を 600 時間にわたって 120 ラウンドの複製に拡張したとき、彼らは宿主系統が 2 つの別々の宿主系統に分裂し、宿主の 1 つが 2 つの異なる寄生虫を進化させたことを発見しました。しかし、増えたのは血統の数だけではありません。彼らの相互作用の複雑さもそうでした。宿主は、寄生虫が複製資源をハイジャックする能力を妨害する突然変異を獲得していましたが、寄生虫は、それらの障害に対する防御として機能する突然変異も開発していました。宿主と寄生虫は共進化しているように見えた.
寄生虫と宿主の個体数は、「進化軍拡競争」で領域をめぐって競争したため、大きく変動した、と科学者は 2020 年に eLife で報告しました。 .各 RNA 系統は一時的に優勢になり、その後、別の系統にその地位を失いました。 「1 つの系統が優勢になれば、別の系統が減少します」と、現在は東京大学の教授である市橋氏は述べています。
しかし、研究者たちは実験を続け、130 周目までに別の宿主が進化しました。ラウンド 160 までに、寄生虫の 1 つが姿を消しました。数ラウンド後、別の寄生虫が現れました。ラウンド 190 までに、研究者は新たな驚きを発見しました。各系統の人口の大きな動的変動が、より小さな波に取って代わられ始めたのです。この安定化は、系統がもはや複製するために競合していないことを示唆していました。代わりに、彼らはネットワークとして相互作用し、準安定共存の状態で協力し始めました.
水内と市橋は、古林太郎（当時、市橋の研究室の博士課程の学生で、現在は東京大学の研究員）と共に実験を行ったが、その結果に圧倒され、Nature に報告した。コミュニケーション 3月。それらは単なる「単なる分子」に過ぎないと水内は述べた。 「かなり予想外です。」
協力的な寄生虫が役割を果たします
Koonin は、彼らの調査結果が印象的であることに同意します。彼らの「実験設定はより精巧で、より現実的であり、結果はより複雑で豊富ですが、シュピーゲルマンのものと完全に互換性があります」と彼は言いました.彼らは、単一のタイプの分子が自然選択の下で複製し、突然変異を集めるのを観察しましたが、生きている細胞、動物、または人々のコミュニティと同じように、分岐した分子が互いの影響下でコミュニティに進化することによってさらに進んだ.その過程で、研究者は、このような複雑なコミュニティが安定して永続的になるために必要なことを管理するいくつかのルールを調査しました.
これらの結果のいくつかは、ウイルス、バクテリア、真核生物で複雑さがどのように発生するかについての以前の実験的研究の予測と、いくつかの理論的研究を確認しました。たとえば、Koonin の研究室の研究では、寄生虫は複雑性の出現において避けられないことも示唆されています。
「寄生虫がいなければ、このレベルの多様化はおそらく不可能です」と水内氏は語った。寄生虫とその宿主がお互いにかける進化上の圧力により、双方が新しい系統に分裂します。
明らかになったさらに驚くべき基本原則は、協力の重要な役割でした。 5つの血統は、協力の異なる小さなネットワークに属しており、いくつかは他のものよりも協力的でした.たとえば、ラウンド 228 までに、3 つのホストのうちの 1 つが、自身と他のすべての系統を複製できる「スーパー協力者」に進化しました。他の 2 つのホストは、それぞれ自分自身と寄生虫の 1 つだけを複製できます。
科学者は長い間進化における競争の研究に注力してきたため、協力の役割は「少し見落とされてきた」とザビエルは述べた. 「正しい方法でまとめなければならないことが非常に多いため、特に起源において、協力も大きな役割を果たし始めると思います。」
市橋、水内、および彼らの同僚が観察したシステムでは、RNA 間の協調は完全に複製に集中していた。しかし研究者たちは、試験管内の自然選択基準を調整することで、RNA に代謝などのまったく異なる機能を強制的に進化させることができるようになることを望んでいます。
別の運命
カリフォルニア大学サンタクルーズ校の生体分子工学研究教授である David Deamer は、次のように述べています。彼はそれを良い論文だと考えていますが、実験室で起こったことは生命の黎明期に起こったことには当てはまらないかもしれないと指摘しました.
確かに、市橋の研究室でのシナリオは、実験がEからの翻訳機械に依存していたため、生命の始まりに何が起こったかを反映できませんでした.大腸菌 . 「生命の起源に関する典型的な問題は、タンパク質合成自体がどのように始まったかということです。」ノースカロライナ大学医学部の生化学および生物物理学の教授であるチャーリー・カーターは、次のように述べています。
しかし、クーニンは、研究者が分子の真の自己複製システムを使用して複雑さを進化させる方法を見つけた場合、論文に描かれているネットワークに非常によく似たものを見るだろうと考えています. 「少なくとも、それらは生命の起源で起こった可能性が高いプロセスの種類を美しく示しています」と Koonin 氏は述べています。
この研究は、このレベルの複雑さの分子で正確な複製の問題を解決すると、さらに複雑化することをオットーに示唆しています。この段階では、先の道筋を示しています」と彼は言いました.
研究を続けている市橋らは、別の実験で同じ持続可能なネットワークを再現できるかどうかを確認したかったため、5 つの系統のサンプルを抽出しました。しかし今回、彼らは、系統のうちの4つが複製を続け、さらに少なくとも22ラウンド生き残った一方で、5つ目は消失したことを発見しました. 「理由はわかりません」と市橋は言った。 「それは非常に奇妙な点です。」
1 つの可能性として、このシステムは研究者が考えていたよりもさらに複雑であり、5 つの系統を分離したときに、消滅した系統の生存にとって重要な 6 番目の系統を見逃していた可能性があります。理論モデルを用いて、市橋のグループは、残りの 4 つの系統が持続的かつ相互依存的に複製できること、および 4 つの系統のいずれかをノックアウトすると、他の系統の少なくとも 1 つが絶滅することを確認しました。彼らのシミュレーションはまた、寄生虫の 1 つをノックアウトするとその宿主が絶滅するという直感に反する発見を示しました。
その間、研究者は主な試験管実験を続けており、ネットワークがさらに複雑になるかどうかを待っています。また、RNA の代わりに DNA を使用する同様の実験も開始しました。
これらの分子レプリケーターのコミュニティがどのように進化できるかについて、「私たちはほんの始まりに過ぎません」と市橋氏は述べた。 「将来、彼らは別の運命をたどっていると思います。何が起こるかは予測できません。」
訂正:2022 年 5 月 5 日
「複雑なネットワークの進化」の図の以前のバージョンでは、宿主と寄生虫の間の相互作用を示すいくつかの矢印が欠落していました。置き換えられました。
