生命の構成要素はどのようにして生まれたのでしょうか?

この疑問は科学者たちを長年悩ませてきた。初期の地球には、原始のスープである化学物質が豊富に含まれた水のプールが点在していました。しかし、生命を支える生体分子が混合物から出現し、最初の細胞の出現の準備が整いました。

生命は、2 つのコンポーネントが形成されたときに始まりました。 1 つは、遺伝子の設計図を伝え、再混合するための DNA などの分子キャリアです。もう 1 つの成分は、身体の主力成分および構造要素であるタンパク質で構成されています。

どちらの生体分子も非常に複雑です。人間の場合、DNA にはヌクレオチドと呼ばれる 20 つの異なる化学「文字」がありますが、タンパク質は XNUMX 種類のアミノ酸で構成されています。コンポーネントは異なる構造を持っており、その作成にはわずかに異なる化学的性質が必要です。最終生成物は、それらをつなぎ合わせて DNA またはタンパク質にするのに十分な量である必要があります。

科学者は添加剤を使用して研究室で成分を精製できます。しかし、それは疑問を引き起こします：それは初期の地球でどのように起こったのでしょうか？

ミュンヘンのルートヴィヒ・マクシミリアン大学の研究者であるクリストフ・マスト博士は、その答えは、初期の地球に豊富にあった火山や地熱系で発生したような岩石の亀裂である可能性があることを示唆しています。亀裂に沿った温度差により生体分子成分が自然に分離および濃縮され、生体分子を精製する受動的システムが提供される可能性があります。

地質学にインスピレーションを得て、研究チームは銀行カードとほぼ同じサイズの熱流チャンバーを開発しました。各チャンバーには温度勾配のある微細な亀裂が含まれています。アミノ酸またはヌクレオチドの混合物（「プレバイオティックミックス」）を与えると、成分は容易に分離します。

さらに多くのチャンバーを追加すると、たとえ構造が似ていても化学物質がさらに濃縮されました。亀裂のネットワークによってアミノ酸の結合も可能になり、機能的なタンパク質を作成するための最初のステップとなります。

「相互につながった薄い亀裂や亀裂のシステムは、火山や地熱環境のいたるところに存在すると考えられています。」 書いた チーム。プレバイオティクス化学物質を濃縮することにより、このようなシステムは「自然の生命の起源に関する研究室に安定した推進力を提供した」可能性があります。

醸造生活

約40億年前、地球は隕石が衝突し、火山の噴火が多発する過酷な環境でした。しかし、どういうわけか、化学は、混沌の中で、最初のアミノ酸、ヌクレオチド、脂肪脂質、および生命を支えるその他の構成要素を生成しました。

どの これらの分子に寄与する化学プロセスについては議論の余地がある。 日時 それぞれが来たのも難問です。 「鶏が先か卵が先か」の問題と同様、DNA と RNA は細胞内でのタンパク質の生成を指示しますが、どちらの遺伝的キャリアも複製するためにタンパク質を必要とします。

ある理論が示唆する 硫化物陰イオン、初期の地球の湖や川に豊富にあった分子が、その関連性がある可能性があります。火山の噴火で生成され、水たまりに溶解すると、プレバイオティクス分子を RNA に変換する化学反応を加速することができます。 「RNAワールド」仮説と呼ばれるこの考えは、RNAは遺伝情報を運び、化学反応を促進することができるため、地球を彩った最初の生体分子であることを示唆している。

別のアイデア これは、流星由来と地球由来の 2 つの豊富な化学物質と少量の紫外線を含むプロセスを通じて、初期の地球に隕石が衝突してヌクレオチド、脂質、アミノ酸を同時に生成したものです。

しかし、問題が 1 つあります。構成要素の各セットには異なる化学反応が必要です。構造や化学のわずかな違いによっては、ある地理的位置が別のタイプのプレバイオティクス分子よりもあるタイプのプレバイオティクス分子に偏っている可能性があります。

どうやって？で発表された新しい研究 自然、答えを提供します。

トンネルネットワーク

初期の地球を模倣した研究室実験は、通常、すでに精製された明確に定義された成分から始まります。科学者は、特に複数の化学反応ステップの中間副生成物もクリーンアップします。

このプロセスでは、多くの場合「目的の製品がごくわずかに濃縮される」か、あるいはその生成が完全に阻害されることさえある、と研究チームは書いている。反応には空間的に分離された複数のチャンバーも必要ですが、これは地球の自然環境とはほとんど似ていません。

新しい研究は地質学からインスピレーションを得た。初期の地球には、火山や地熱系のさまざまな岩石に見られる、水で満たされた亀裂の複雑なネットワークがありました。岩石の過熱によって生じた亀裂は、天然の「ストロー」を形成し、熱勾配を利用して分子の複雑な混合物をろ過できる可能性があります。

各分子は、そのサイズと電荷に基づいて好ましい温度を好みます。さまざまな温度にさらされると、自然に理想的なピックに向かって移動します。熱泳動と呼ばれるこのプロセスは、材料のスープを 1 つのステップで複数の異なる層に分離します。

研究チームは、熱流チャンバーを使用して単一の薄い岩の破壊を模倣しました。銀行カードとほぼ同じ大きさのこの部屋には、直径170マイクロメートル、髪の毛ほどの幅の小さな亀裂があった。温度勾配を作成するために、チャンバーの片側を華氏 104 度に加熱し、もう一方の端を華氏 77 度に冷却しました。

最初のテストで、チームはアミノ酸と DNA ヌクレオチドを含むプレバイオティクス化合物の混合物をチャンバーに追加しました。 18時間後、成分はティラミスのように層に分離しました。たとえば、アミノ酸の中で最小のグリシンは上部に集中する一方、より高い熱泳動強度を持つ他のアミノ酸は下部に付着します。同様に、DNA文字や他の生命維持化学物質も亀裂の中で分離され、中には最大45パーセント濃縮されたものもあった。

有望ではあるものの、このシステムは、サイズの異なる亀裂が高度に相互接続されていた初期の地球には似ていませんでした。自然条件をよりよく模倣するために、チームは次に 23 つのチャンバーをつなぎ、最初のチャンバーを他の XNUMX つに分岐させました。これは、単一チャンバーよりもプレバイオティクス化学物質の濃縮において約 XNUMX 倍効率的でした。

次にチームは、コンピューター シミュレーションを使用して、プレバイオティクス化学物質の現実的な流量を使用して、20 × 20 の連結されたチャンバー システムの動作をモデル化しました。チャンバーはビールをさらに濃縮し、グリシンが他のアミノ酸よりも 2,000 倍以上濃縮されました。

化学反応

よりクリーンな成分は、複雑な分子の形成に最適なスタートとなります。しかし、多くの化学反応には追加の化学物質が必要であり、それも濃縮する必要があります。ここで研究チームは、2 つのグリシン分子をつなぎ合わせる反応に焦点を当てました。

中心となるのはトリメタリン酸 (TMP) で、反応の誘導に役立ちます。 TMPはプレバイオティクス化学にとって特に興味深いものであり、初期の地球ではTMPは希少であったため、「その選択的濃縮が重要になっている」と研究チームは説明した。単一のチャンバーを他の化学物質と混合すると、TMP レベルが増加しました。

コンピューター シミュレーションを使用すると、TMP とグリシンを混合すると、最終生成物 (グリシンが 2 倍) が 5 桁増加しました。

「これらの結果は、さまざまな領域で化学物質を選択的に濃縮する熱流によって、困難なプレバイオティクス反応が大幅に促進されることを示している」と研究チームは書いている。

合計で、彼らは 50 を超えるプレバイオティクス分子をテストし、破壊によりそれらが容易に分離されることがわかりました。それぞれの亀裂には異なる分子の混合が存在する可能性があるため、生命を維持する複数の構成要素の出現を説明できる可能性があります。

それでも、生命の構成要素がどのようにして集まって有機体を形成したのかは依然として謎のままです。熱流と岩の亀裂はおそらくパズルの 1 ピースにすぎません。究極のテストは、これらの精製されたプレバイオティクスが結合して細胞を形成するかどうか、そしてどのように結合するかを確認することです。

画像クレジット: Christof B. Mast

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• 情報源： https://singularityhub.com/2024/04/05/lifes-origins-fissures-in-hot-rocks-may-have-kickstarted-biochemistry/