生体分子の好ましい「利き手」は、電子と磁性表面の間の偏った相互作用から生じた可能性があることが、新しい研究で示唆されている。
生物は分子レベルでも非対称です。多くの重要な生体分子は明確な鏡像の形で存在しますが、細胞はそれらの形のうちの 1 つだけを排他的に使用する傾向があります。
ルー・キスがクアンタマガジンに登場
はじめに
1848年、ルイ・パスツールが牛乳の殺菌方法の発見にはまだ何年も先の若い化学者だったとき、工業化学者がワインを長時間煮沸しすぎたときに偶然形成された結晶に奇妙な何かを発見した。結晶の半分は明らかに酒石酸で、ワイン樽の壁に自然に成長した工業的に有用な塩です。他の結晶はまったく同じ形状と対称性を持っていましたが、1 つの面が反対方向を向いていました。
その違いは非常に明らかだったので、パスツールは拡大レンズの下でピンセットを使って結晶を分離することができました。 「それらは、鏡に映る像と実物との関係を相互に関係づけている」と彼はその年の論文で書いている。
パスツールはそれを知りませんでしたが、そのワインの結晶化した滓の中で、地球上の生命の起源に関する最も深い謎の 1 つに遭遇しました。
彼が見ていたのは、同一の原子組成と空間内でのそれらの原子の鏡像配置を持つ酒石酸分子の混合物でした。これらは、ギリシャ語の「手」を意味する言葉にちなんで、後に「キラリティー」と呼ばれる特性を持っていました。ちょうど私たちの左手と右手が互いに対称的であるのと同じように、酒石酸分子の左手と右手のバージョン (またはエナンチオマー) は別個であり、等価ではありません。
パスツールの観察の重要性は、キラリティーの発見を超えたものでした。彼がキラリティーを観察したのには、驚くべき理由もありました。合成結晶は酒石酸のエナンチオマーの混合物でした。これは、沸騰プロセスにより左手型と右手型が同数形成されるためです。しかし、ワイン樽からの天然の結晶では、すべての酒石酸分子が右巻きでした。なぜなら、ワインに使用されるブドウは生きたブドウの木から摘み取られ、その鏡像異性体しか作られなかったからです。
私たちが知っているように、キラリティーは生命の特徴です。生化学者は、生きた細胞がキラル分子を使用する場合、1 つのキラリティーのみを使用することを何度も発見してきました。たとえば、DNAを構成する糖はすべて右巻きです。タンパク質を構成するアミノ酸はすべて左巻きです。間違ったエナンチオマーが医薬品に混入すると、その影響は時には毒性、さらには致死的なものになる可能性があります。
フランスの化学者ルイ・パスツール（左）は、現在パラ酒石酸と呼ばれている混合物の結晶がどのように対称的であるものの重ね合わせることができない様子を描くために、1848年にこのイラストを描きました。この特性は後にキラリティーとして知られるようになりました。
ポール・ナダール（左）。キミーとフィジークのアナール
生化学者が言うように、生命の歴史の初期における何らかの出来事または一連の出来事が「鏡を壊し」、生命を分子の非対称性の中に放り込んだに違いありません。科学者たちは、なぜ生命がホモキラルになったのか、そしてそれが起こる必要があったのか、それとも単なるまぐれなのかについて議論してきた。キラルな選択は、宇宙から到着した分子の偏ったサンプルによって初期の生命に影響を与えたのでしょうか、それとも右巻きと左巻きの等しい部分として始まった混合物から何らかの形で進化したのでしょうか?
「科学者たちはこの観察に当惑しています」とカリフォルニア大学ロサンゼルス校の有機化学助教授ソウミトラ・アサベール氏は言う。 「彼らは何年にもわたってあらゆる種類の提案を出してきましたが、地質学的に実際に関連する提案を見つけるのは困難です。」さらに、ある種類の分子がホモキラルになった理由を説明できる理論はたくさんありましたが、生体分子のネットワーク全体がホモキラルになった理由を説明した理論はありませんでした。
最近、ハーバード大学のグループが、生命のホモキラリティがどのようにして出現したかについての興味深い解決策を提示する一連の論文を発表しました。彼らは、原始地球の磁場によって帯電した、原始地球の水域の鉱物の磁性表面が、ある形態の分子を他の形態よりも強く引き寄せる「キラル剤」として機能し、RNA前駆体からタンパク質、さらにはそれ以上に至る生体分子のキラリティーを増幅するプロセスを開始した可能性があることを示唆している。彼らが提案したメカニズムは、特定の分子の構成の偏りがどのようにして外側にカスケードして、生命を支えるキラル化学の広大なネットワークを形成したのかを説明するものとなるでしょう。
これが唯一のもっともらしい仮説ではないが、「地球物理学を地球化学、プレバイオティクス化学、そして最終的には生化学に結びつけているので、最もクールな仮説の一つだ」と生化学者であり、この研究には関与していないソーク研究所所長のジェラルド・ジョイス氏は語った。彼はまた、仮説が「実際の実験」によって裏付けられており、「彼らは現実的な条件下でこれを行っている」ことにも感銘を受けました。
CISS 効果
ホモキラリティーに関する新しい理論のルーツは、イスラエルのワイツマン科学研究所の化学物理学教授ロン・ナーマンと彼のチームがキラル分子の重要な効果を発見したほぼ四半世紀に遡ります。彼らの研究は、電子には 2 つの重要な特性があるという事実に焦点を当てました。電子は負の電荷を帯びており、もう 1 つは固有の時計回りまたは反時計回りの回転に似た量子特性である「スピン」を持っています。分子が他の分子または表面と相互作用すると、その電子が再分配され、目的地でマイナスの電荷を生成し、出発点でプラスの電荷を生成して分子を分極させることができます。
イスラエルのワイツマン科学研究所のロン ナーマンは、1999 年に CISS 効果を発見しました。それ以来、その応用と生物学的重要性が明らかになり続けています。
ロン・ナアマン氏のご厚意
ナーマンと彼のチームは、キラル分子がスピンの方向に基づいて電子をフィルタリングすることを発見しました。 1 つのスピン配向を持つ電子は、キラル分子中を一方の方向に他方の方向より効率的に移動します。逆のスピンを持つ電子は、反対方向により自由に動きます。
その理由を理解するには、フリスビーを投げて廊下の壁からチラリと落ちるところを想像してください。フリスビーが右側の壁に当たった場合、時計回りに回転している場合にのみ前方に跳ね返ります。そうしないと、後ろに跳ね返されてしまいます。フリスビーを左側の壁に当てた場合は、その逆が起こります。同様に、キラル分子は「回転方向に応じて電子を散乱させる」とナーマン氏は述べた。彼と彼のチームは、この現象をキラル誘起スピン選択性 (CISS) 効果と名付けました。
この散乱により、特定のスピンを持つ電子はキラル分子の 1 つの極に集まることになります (分子の右巻きバージョンと左巻きバージョンは、それぞれの極に反対のスピンを集めます)。しかし、反対方向に回転する電子は互いに引き付けられ、同じ方向に回転する電子は互いに反発するため、スピンの再分布はキラル分子が磁性表面とどのように相互作用するかに影響を与えます。
したがって、キラル分子が磁性表面に近づくとき、分子と表面のスピンバイアスが逆であれば、分子はより近くに引き寄せられます。それらの回転が一致すると、互いに反発します。 (他の化学的相互作用も進行しているため、分子は単純に反転して再配列することはできません。) したがって、磁性表面はキラル剤として機能し、化合物の 1 つのエナンチオマーのみと優先的に相互作用します。
2011 年、ナーマン氏と彼のチームは、ドイツのミュンスター大学のチームと協力して、二本鎖 DNA の中を移動する電子のスピンを測定し、CISS 効果が現実であり、強力であることを確認しました。
そのとき、その効果とその応用可能性に関する研究が「ブームになり始めた」とナアマン氏は語った。たとえば、彼と彼のチームは、CISS 効果を利用して生物医薬品から不純物を除去したり、重大な副作用を防ぐために医薬品から間違ったエナンチオマーを排除したりするいくつかの方法を開発しました。彼らはまた、CISS 効果が麻酔のメカニズムを説明するのにどのように役立つかについても調査しました。
しかし、彼らが CISS 効果が生物学的ホモキラリティの上昇に関与しているという考えに真剣に取り組み始めたのは、天文学者のディミタール・サセロフと彼の大学院生である S. フルカン・オズターク率いるハーバード大学のチームから仮説の共同研究に誘われてからです。
物理学の視点
最近の論文の若い筆頭著者であるオズターク氏は、ハーバード大学の物理大学院生だった2020年にホモキラリティーの問題に出会った。超低温原子を使用した量子シミュレーションの研究に満足できなかった彼は、世界最大の謎 125 個が詳しく掲載されている科学雑誌をめくり、ホモキラリティについて学びました。
「対称性に関するものなので、本当に物理学の質問のように見えました」と彼は言いました。ハーバード大学の生命起源イニシアチブのディレクターであり、すでにホモキラリティーの問題に興味を持っていたサセロフに連絡を取った後、オズタークは彼の研究室の学生になることに切り替えました。
ハーバード大学のディミタール・サセロフ氏（左）とフルカン・オズターク氏は、湖の磁性表面が生命の歴史の初めに重要な生体分子にホモキラリティーを課した可能性を示唆する実験を主導した。
ジョン・チェイス/ハーバード大学 (左); S. フルカン・オズターク氏のご厚意
オズテュルクとサセロフはすぐに、CISS 効果に基づいたアイデアを思いつきました。彼らは、磁性鉱物で満たされた表面があり、水にはヌクレオチドへのキラル前駆体の混合物が含まれる浅い湖のような原始的な環境を想像しました。彼らは、紫外光が磁性表面から多くの電子を放出した可能性があり、それらの電子の多くは同じスピンを持っていたであろうと理論づけました。放出された電子は特定のエナンチオマーと優先的に相互作用し、その結果生じる化学反応により右巻きの RNA 前駆体が優先的に組み立てられた可能性があります。
2022 年 4 月、オズタークはイスラエルにあるナアマンの研究室を訪れ、仮説を検証できるという期待に胸を躍らせました。彼の興奮は長くは続かなかった。彼がナアマンと一緒に仕事をしていた翌月、そのアイデアは崩れ去りました。オズタークさんは「うまくいかなかった」と言い、落胆して家に帰った。
しかし、オズタークは別の考えを思いつきました。 CISS の効果が化学的プロセスとしてではなく、物理的プロセスとして現れたらどうなるでしょうか?
ナアマンのグループは、磁性表面を使用してエナンチオマーを優先的に結晶化できることを示しました。そして結晶化は、精製されたエナンチオマーのコレクションを組み立てる最も簡単な方法です。オズターク氏は、英国の MRC 分子生物学研究所の共同研究者であるジョン・サザーランド氏にそのことについて言及しました。「そして私は、電子に関することはすべてやめて、結晶化だけに集中するように言いました」とサザーランド氏は言いました。
サザーランド博士は、結晶化の側面に興奮していました。なぜなら、彼と彼のチームは、リボアミノオキサゾリン (RAO) と呼ばれる RNA 前駆体が RNA の 4 つの構成要素のうち 2 つを合成できることをすでに独自に発見していたからです。 RAOも「美しく結晶化する」とサザーランド氏は語った。表面に引き寄せられたエナンチオマーから結晶種が形成されると、結晶は同じエナンチオマーをさらに取り込むことによって優先的に成長します。
オズタークは、サザーランドがCISS効果のアイデアがうまくいったら「ゲームオーバー」だと言ったのを覚えている。 「とてもシンプルだったからです」とオズターク氏は語った。 「それは、生命化学の起源にとって非常に中心的な分子に対して行われていたので、その分子をホモキラルにすることができれば、系全体をホモキラルにすることができるのです。」
オズタークはハーバード大学の研究室で働くことになった。彼は磁鉄鉱の表面をペトリ皿に置き、同量の左巻きと右巻きの RAO 分子を含む溶液で満たしました。それから彼は皿を磁石の上に置き、実験物を冷蔵庫に入れ、最初の結晶が現れるのを待ちました。研究チームは当初、結晶の 60% が片手で作られたものであることを発見しました。このプロセスを繰り返すと、結晶は 100% 同一のキラリティを持ちました。
メリル・シャーマン/クアンタ・ マガジン
彼らが6 月にサイエンス・ アドバンス誌に発表した研究で報告したように。 表面を一方向に磁化すると、純粋に右巻きの結晶が作成されます。逆に磁化した場合、結晶は純粋に左巻きになります。 「私はうまくいかない実験には慣れているので、とても驚きました」とオズターク氏は語った。しかし、これは「魔法のようにうまくいきました」。
オズタークは、サセロフとチームが祝賀ディナーで共有したシャンパンの空ボトルを机の後ろに保管しています。
乗算と増幅
しかし、彼らにはまだ大きな問題が残っていました。実験で使用した磁石は地球の磁場の約 6,500 倍強かったのです。
そこでオズターク氏は昨年 11 月にワイツマン研究所に戻り、ナーマン氏とともに外部磁場をまったく使用しない追跡実験に取り組みました。その代わりに、キラル分子が磁性表面に吸着されると、表面上に地球の磁場の最大 50 倍の非常に局所的な磁場が生成されることを発見しました。彼らの研究結果は査読付き雑誌に受理されましたが、まだ出版されていません。
「近隣を強制的に磁化させることになるので、結晶がさらに形成されやすくなります」とジョイス氏は言う。その永続的な効果により、このシナリオはもっともらしいものになる、と彼は付け加えた。
アタバレも同意する。 CISS 効果が発生するために高度な磁場が必要ないという事実は、「地質学的環境の可能性が見えてきたので、非常に素晴らしいことです」と彼は言いました。
磁性表面上では、RAO と呼ばれる RNA 前駆体の結晶が左手構造または右手構造として形成されます。
S. フルカン・オズターク
しかし、ホモキラリティを作り出す本当の鍵は、相互作用する分子のネットワーク全体で効果がどのように増幅されるかを調べることです。 「このすべての最も重要な点は、キラル生成物を得るさらに別の方法を見つけることができたことではなく、彼のグループがホモキラルネットワークを作成するルートを見つけたことだ」とサセロフ氏は語った。
化学物理ジャーナルの表紙に掲載された論文 8月に、Ozturk、Sasselov、Sutherlandは、キラル情報がプレバイオティックネットワーク全体にどのように伝播するかについてのモデルを提案した。サザーランドと彼のグループは、アミノ酸に結合してリボソームに運びタンパク質を作る右手系転移RNA分子の類似体が、右手系アミノ酸よりも10倍速く左手系アミノ酸に結合することを以前に示した。この発見は、自然界で見られるように、キラル RNA が逆のキラリティーのタンパク質を優先的に生成することを示唆しています。研究者らが論文に書いているように、「したがって、生物学的ホモキラリティの問題は、単一の共通の RNA 前駆体 (例:RAO) を確実にホモキラルにできるかどうかに帰着する可能性があります。」
オズターク氏によると、この研究では、生命体が好むヌクレオチドが右巻きで、アミノ酸が左巻きである理由は直接説明されていないという。しかし、これらの新しい発見は、決定要因は地球の磁場によって引き起こされた磁化であることを示唆しています。アサベール氏は、結晶化プロセスが 100 の原始湖で起こったとしても、地球の磁場により、すべての湖が混合物ではなく同じ利き手を持った前駆体を確実に生成するだろうと指摘しました。
ジョイスは、磁場がそのような偏りを与えた場合、「素晴らしいちょっとしたひねり」があると指摘しました。生命が北半球で始まり、一方の利き手を持つ分子を好んだとしたら、それが南半球で生じた場合は逆の利き手を示したでしょう。
アタバレ氏は、分子ファミリー間のキラリティーの伝播はまだかなり仮説の段階にあるが、人々に考えさせるのには良いことだと指摘した。サセロフ氏も同意する。 「この論文の目的は、人々に実験を行ってもらうことです」と彼は言いました。
中国の武漢大学の生命の起源を研究するウェンタオ・マー氏は、新しい論文は「興味深い進歩」を示していると述べた。しかし、完全な答えとして理解するには、CISS 効果が RNA の重合につながることを確認する必要があるでしょう。 「もし彼らがこの結果を達成できれば、私たちは…解決策にそれほど遠くないと思います。」と彼は言いました。
「私は CISS 効果がとても気に入っています」と、ホモキラリティー問題に取り組んでいる天体物理学者のノエミ・グロバス氏は語った。より説得力があるのは、特定の利き手のアミノ酸を過剰に含む隕石（以前に発見されている）に過剰な磁性粒子も含まれているかどうかを研究者が確認することだ、と彼女は述べた。彼女はまた、さまざまな理論上のメカニズムがすべて、さまざまな分子にホモキラリティーを生み出している可能性があると指摘しました。
カリフォルニア大学サンディエゴ校スクリップス海洋研究所の名誉教授ジェフリー・バダ氏は、この考えに懐疑的だ。彼は、RNA が最初の自己複製分子として原始的な条件で合成されたとは考えていません。 「プレバイオティクスの状況で RNA を作った人は誰もいません」と彼は言いました。なぜなら、分子の安定性にはあまりにも多くの問題があるからです。
オズタークとサセロフはオーストラリアのピルバラにある場所を調査し、仮説にある前生物的湖に似ているのではないかと考えています。
S.フルカン・オズターク
サザーランドのチームは、他の 2 種類のヌクレオチドが RNA 前駆体分子から生成できることを示すために現在も研究を続けています。 「かなり近づいていると思います」とサザーランドは語った。 「しかし、私のグループは、私が 22 年間もそう言い続けてきたと言うでしょう。」
CISS 効果が解決策を表しているか、解決策の一部であるか、まったく解決策がない場合でも、CISS 効果をテストするには次のステップがあることは明らかです。 「創造的なもの、実現可能なもの、そして最終的にはテストできるものを思いつくという、素晴らしい仮説のすべての側面が含まれています」とアサベール氏は語った。最も説得力のある次のステップは、このプロセスが実験室の外で起こった可能性があるという地質学的証拠を示すことだと彼は考えています。
オズターク氏はZoom通話で、オーストラリアへの旅行中に拾った平らな黒い石を掲げた。オーストラリアには磁性を帯びた鉄の岩がたくさんある場所で、その上で実験を再現したいと考えている。彼はまた、このアイデアの今後のテストをよりダイナミックなものにしたいと考えています。初期の分子が形成されたと彼が考えている原始の湖には、物質の流れと流れ、そして雨と高温によって引き起こされる自然の「湿潤-乾燥」サイクルがあり、結晶の形成と溶解、形成と溶解が可能になったでしょう。
ホモキラリティーの謎は解決には程遠いものの、オズターク氏は CISS 効果の説明に関する研究に対して指導者から熱烈な激励を受けています。 4月に彼はハーバード大学でサセロフグループの研究について講演し、彼のアイドルの一人が出席した。 DNAがどのように複製されるかを実験的に確認した遺伝学者で分子生物学者のマシュー・メセルソン氏は、オズターク氏が研究結果を黒板に書き出す中、最前列に座っていた。 93歳の遺伝学者はその後オズターク氏に、この問題が解決されるのを見るのに十分長生きできて本当によかった、と語った。その後、彼はオズタークに彼の著書の 1 冊に署名入りのコピーを渡しました。 「あなたはすでに深い問題を解決しました」と彼はその中で書いた。 「あなたの幸運を祈ります。」
編集者注: サセロフと彼のグループ、ジョイスとサザーランドは、この独立した編集雑誌にも資金を提供しているサイモンズ財団から資金提供を受けています。サイモンズ財団の資金提供に関する決定は、私たちの報道内容には影響しません。
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