生命の起源に関する長年の謎が解明され、地球外生命体の探索に拍車がかかる

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地球上の生命が最初に出現したのは水中であると長年提唱されてきた。だが、どうやって生命が出現したのか、その化学反応の過程は謎のままであった。

初期の地球が降り注ぐ隕石から毎日受け取っていた生命の元であるアミノ酸は、反応して結合し、タンパク質、ひいては生命の基礎となるペプチドを作ることができる。だが、この過程では、水分子が失われる必要があることから、水中でこの反応が起こることは考えられないことだった。つまり、生命が育つには水が必要だが、誕生するには海から離れる必要もあると言う、パラドックスが存在した。

しかし、パデュー大学の化学者たちが、ついにこの謎を解き明かしたのだ。

パデュー大学の研究者らは、生命の重要な構成要素であるアミノ酸の列であるペプチドが、水滴の中で、例えば、波が岩にぶつかって霧状になった水しぶきのように、水が大気に触れたときに起こる急激な反応によって自然に形成されることを初めて明らかにした。これは、生命が誕生した約40億年前の地球と同じような環境下で起こる可能性がある。

パデュー大学理学部のHenry Bohn Hass特別教授のGraham Cooks氏(分析化学)は、「これは本質的に、生命の起源の背後にある化学です。これは、原始的な分子である単純なアミノ酸が、純水の水滴の中で生命の構成要素であるペプチドを自発的に形成することを初めて証明したものです。これは劇的な発見です。」と語る。

Cooks教授と彼の同僚たちは、ペプチドが、太古の地球に存在したような化学システム、例えば、原始の海からの海水噴霧や斜面を流れ落ちる淡水などで容易に形成されることを明らかにしたのである

アミノ酸がどのようにしてタンパク質や生命体になるのかが解明されたことで、科学者の化学合成に対する理解は一変した。この化学反応は、合成化学者が重要な反応を促進することによって、新しい医薬品や病気の治療法を特定、創造するのに役立つかもしれません。

「最も興味深いのは、ペプチドだけでなく、他の生物学的に重要なポリマーも同様の化学反応によって説明できるということです」と、同教授は指摘し、研究チームはこのテーマについて近くさらに発表する予定であることを付け加えている。

今回の研究により、地球上で非生物である化合物が何らかの形で組み合わさって生物になった、まだ説明のつかない「宇宙創成」と呼ばれる初期の段階を知る貴重な糸口が見つかったことになる。ペプチドは、生命維持に必要な自己複製機能をもつタンパク質などの生体分子の基礎となる構造体であるため、自然発生における重要なステップだ。

研究チームは、水滴が空気中で衝突する様子をシミュレートした「水滴融合」実験を行い、これらのペプチドが形成される可能性を再現することができた。

Cooks氏は、「水はどこでも濡れているわけではありません。水滴が大気と出会う縁の下では、信じられないほど急速な反応が起こり、無生物であるアミノ酸を生命の構成要素に変えることができるのです。海水飛沫が空中に舞い、波が大地を叩き、淡水が斜面をうねるような場所は、生命の潜在的進化にとって肥沃な土地だったのです。」と語る。

この実験により、水滴の表面、つまり水が空気と出会う領域が、何十億年も前から隕石によって地球に運ばれてきた種類のアミノ酸からペプチドを紡ぎ出すのに非常に有効な領域であることが明らかになった。その結果、この実験により、長年、宇宙創成の分野で科学者たちを悩ませてきた「水のパラドックス」を解決できる可能性が出てきた。

水のパラドックスとは、タンパク質は、水が失われることによってアミノ酸から形成されるが、水中での水の損失は、そのプロセスが水によって逆転されるため起こらない。(熱力学的に禁止されている。)

別の言い方をすれば、ペプチドが形成されるにはある程度、水が失われる必要があるが、水中のような水分のある環境ではそれが非常に難しい。Cooks教授らは10年以上にわたって、微小水滴には、その表面で反応性が促進されるなど、多くのユニークな特性があることを明らかにしてきた。この気水界面は、水滴の中の乾燥したオアシスであり、アミノ酸からペプチドを作るために必要な水分の喪失反応を可能にするのだ。

この発見は、地球外にも影響を及ぼす。この研究は、太古の地球の海水飛沫やその他の空気と水の界面が、生命の材料を環境に豊富に供給するペプチド工場であった可能性を示唆している。これは、太陽系やその外側に存在する生命体の探索を続ける科学者にとって、有益な情報だ。

つまり、宇宙人を探すのならば液体の水、特にペプチド形成の重要な推進力として海水噴霧が重要な役割を果たす可能性があることから、「荒れた海のある星」を探すのが最も有益になるというアイデアを提供する。

また教授によると、この水を使った化学反応は、人類が最も衰弱している病気を治療するための薬の開発を早めることにもつながる可能性があるそうだ。

論文の概要

ペプチド合成の基礎となる必須の縮合反応であるアミド結合形成は、水系では脱水に伴う熱力学的制約が妨げとなる。このことは、最初の生体分子の形成につながる前生物的化学進化が海洋環境で起こったとする一般的な見解にとって、重要な難点となる。最近、液滴界面で化学反応が加速されるという証拠が得られたので、私たちはアミノ酸水溶液の化学反応について調べました。我々は、単一の噴霧源から噴出した水性微小液滴が質量分析計の入口に向かって飛行する間に、気水界面で遊離のグリシンまたはL-アラニンからジペプチド異性体イオンが形成されることを報告する。提案された異性体ジペプチドイオンはオキサゾリジノンであり、完全な共有結合型およびイオンニュートラルな複合体形態をとることがわかった。この構造は、観測されたフラグメンテーションパターン、穏やかな衝突による真性ジペプチドイオンへの変換、および超低濃度での真性ジペプチドからの生成と一致するものである。また、液滴融合実験の結果、ジペプチドの異性体がアミド結合の形成を促進し、本物のトリペプチドからヘキサペプチドが生成することも合理的である。我々は、水系マイクロドロップレットの界面が乾燥面として機能し、ジペプチド異性体の安定化を通じて、遊離アミノ酸間の平衡が脱水に有利にシフトすることを提唱している。これらの発見は、プレバイオティック化学における生体高分子合成の水のパラドックスに対する解決策を提供する可能性がある。

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