およそ46億年前の地球は、生命の存在しない不毛の地だった。そんな荒れ地がなぜ現在のような生命の溢れる惑星になったのか、完全には分かっていない。だが今回、ジョンズ・ホプキンズ大学の研究者らは、太古の地球環境を綿密にシミュレーションし、アミノ酸が生命の最初の材料をどのように生み出したかを解明することに成功した事を報告している。この研究によると、私たちが知っているような生命が誕生する以前から、進化の自然なプロセスが働いていた可能性があるとのことだ。
生物の設計図は遺伝暗号に含まれているが、生命を可能にするのはタンパク質である。DNAにコード化された遺伝子がRNAとなり、そのRNAがタンパク質となる。人間でもウイルスでも、地球上のすべてのタンパク質は、同じ20種類のアミノ酸を使っている。しかし、何百種類もあるアミノ酸分子の中で、なぜ20種類の「標準的な」アミノ酸からなる特定のグループが、タンパク質を作るために何度も使われるのか？その疑問に答えるため、研究ではおよそ40億年前の地球の状況を再現した。
地球誕生から10億年の間に、アンモニアと二酸化炭素の大気と強い紫外線のおかげで、10種類の「初期」アミノ酸が普及したことを示す証拠がある。また、宇宙から飛来した岩石が、地球に必須な化合物を運び、初期のアミノ酸が誕生した。そして、この10種類のアミノ酸のうち、2つ目のアミノ酸は後に作られたもので、今回の研究では、この10種類のアミノ酸に焦点を当てた。
このシミュレーション環境では、数多くのアミノ酸の溶解度や二次構造、つまり、アミノ酸がどのように組み合わさってタンパク質を形成しているのかを評価した。タンパク質は、ただアミノ酸が並んでいるわけではない。分子同士が相互作用し、電荷、架橋、疎水性効果によって決まる3次元の折りたたみ構造を形成している。
研究チームは、原始時代のタンパク質合成を再現することで、古代の有機化合物がタンパク質の折り畳みに最も適したアミノ酸を支持し、タンパク質を特定の機能に合わせて調整したことを明らかにした。
つまり、この段階でも進化や自然淘汰が進んでいたと言う事になる。最も入手しやすいアミノ酸が選ばれるのではなく、特定の仕事に最も適したアミノ酸が選ばれたのだ。
ジョンズ・ホプキンズ大学の化学者Stephen Friedは、「私たちの研究は、ダーウィン進化以前に、自然が有用な性質を持つビルディングブロックを選択していた可能性を示しています」と言う。既に様々な研究から、アミノ酸が宇宙全体に共通して存在することは明らかになっている。研究チームは、複雑な生命が誕生する前に、折り畳み可能なアミノ酸が化学的に選択されたということは、他の惑星でも同様のプロセスが起こっている可能性があると推測している。
「宇宙はアミノ酸が大好きなようです」と、Fried氏は言う。「違う惑星で生命を見つけたとしても、それほど違和感はないのかもし知れません」少なくとも、同じ基本的な構成要素でできている可能性があることを示す良い証拠があるのだ。
論文
- Journal of the American Chemical Society: Early Selection of the Amino Acid Alphabet Was Adaptively Shaped by Biophysical Constraints of Foldability
参考文献
- Johns Hopkins University: ANCIENT PROTEINS OFFER NEW CLUES ABOUT ORIGINS OF LIFE ON EARTH
- via Science Alert: Evolution Could Predate Life Itself, Protein Discovery Suggests
研究の要旨
現代のタンパク質は、20種類のアミノ酸からなる準普遍的なレパートリーに依存しているのに対し、古代のタンパク質は、10種類の「初期」アミノ酸からなる限られたアルファベットに依存しており、10種類の「後期」アミノ酸は生合成経路から得られるものであることを示す証拠が数多く存在する。しかし、多くの非タンパク質性AAがプレバイオティックに利用可能であったため、2つの基本的な疑問が生じる。なぜ、現在のようなアミノ酸のアルファベットがあるのか、もし異なるアミノ酸が遺伝暗号を構成していたら、タンパク質は球状構造に折り畳むことができたのだろうか？ここでは、25merの合成ペプチドライブラリーを用いて、いくつかのプレバイオティクスに関連するアミノ酸の溶解度と二次構造の傾向を実験的に評価する。最も多く存在する直鎖脂肪族および塩基性残基を、他の初期アミノ酸とともに、あるいは他のアミノ酸の代わりに組み込んで、これらの代替配列空間を探索した。その結果、折りたたみ性が、正規のアルファベットを選択する上で重要な要素であった可能性が高いことが示された。分岐していない脂肪族アミノ酸は、前生代に多く存在していたにもかかわらず、タンパク質生成アルファベットから除外された。これは、過溶解してパッキング効率の低いポリペプチドを生成するためである。しかし、意外なことに、短鎖塩基性アミノ酸を含むと、ポリペプチドの二次構造の可能性が低下することを発見し、その生物物理学的モデルを提案した。この結果は、塩基性残基を持たないにもかかわらず、初期のカノニカルアルファベットは、タンパク質の折り畳みをサポートする上で著しく適応的だったという見解を支持し、塩基性残基がなぜタンパク質進化の後期にのみ組み込まれたのかを説明するものである。
