生命誕生の謎の一つは、「生命が非生命体からどのように発生したか」ということだ。
有機分子の混合物間の化学反応が内部から動力を与えられ始め、私たちが生物学的と考え始めるかもしれない何かを形成する重要なポイントがあったはずなのだ。
この最初の代謝反応がどのようなものだったのかは、まだ推測の域を出ていない。すでに存在する可能性が高いさまざまなコンポーネントから出現するのに十分シンプルでありながら、環境の変化の触媒として機能するのに十分な効率性がなければならなかった。
ラトガース大学とニューヨーク州立大学の研究チームは、地球上の生命を育む基本的な化学反応である「代謝」の原初的な起源をたどることに取り組んできたが、この度、生命の誕生に重要な役割を果たした可能性のあるタンパク質を特定した。
ラトガース大学先端生物工学・医学センター（CABM）の研究者であるVikas Nanda氏は、『Science Advances』誌に掲載されたこの研究が、「研究者に新しい手がかりを与えるため、地球外生命の探索において重要な意味を持ちます」と述べている。
研究者たちの推論によると、前駆物質となりうる化学物質は、生化学的プロセスを駆動するのに十分な活性を持ちながら、原始のスープで自然に組み立てられるほどシンプルでなければならない。そこで研究チームは、その候補を見つけるために、現代の代謝タンパク質を最も基本的な構造まで絞り込んだ。
Nanda氏は、「科学者たちは、35億年から38億年前のある時期に、生命が誕生する前の化学物質から、生命を持った生物システムに変わるきっかけとなる転換点があったと考えています。この変化は、古代の代謝反応における重要なステップを担う、いくつかの小さな前駆体タンパク質によって引き起こされたと私たちは考えています。そして、この “先駆けペプチ “の1つを発見したと考えています」と述べている。
研究者らは、実験室での研究に基づき、生命を誕生させた最も可能性の高い化学物質の候補の1つが、ニッケル原子を2つ持つ単純なペプチドであると述べている。これは、「ニッケルバック」と呼ばれるが、もちろんカナダのロックバンドと関係があるわけではなく、そのバックボーンの窒素原子が重要なニッケル原子2つと結合することから、その名が付いている。ペプチドとは、アミノ酸と呼ばれる数種類の元素からなるタンパク質を構成する成分だ。
最終的なペプチドの設計に至るまで、科学者たちはまず、多くの生化学的反応を促進するために重要な代謝プロセスを担う現代のタンパク質から着手した。古代のタンパク質はもっとシンプルだったので、これらのタンパク質は最も基本的な部分に分解された。
一連の実験により、ニッケルバックは、プレバイオティクスの地球で形成されたシンプルな分子でありながら、環境からエネルギーを得て何かをするのに十分な複雑性を持っている可能性が高いと考えられた。ニッケルバックは、13種類のアミノ酸を使用している。アミノ酸は、タンパク質や生命体の「構成要素」としてよく知られている。
この基本的な足場には、2つのニッケル原子が付着し、[NiFe]ヒドロゲナーゼのニッケル-鉄グループとアセチル-CoA合成酵素のニッケル-ニッケルクラスターの基本的な活動を映し出すことができた。この2つの古代のタンパク質は、今日も代謝において大きな役割を果たし続けている。
このペプチドは、あらゆる点で条件を満たしている可能性が高いと、研究チームは考えている。単純なだけでなく、ニッケルは初期の海洋に豊富に存在した金属であると考えられている。ニッケルイオンは強力な触媒として水素ガスを発生させ、代謝プロセスの重要なエネルギー源となったはずなのだ。
「生命の起源については多くの説がありますが、実際に実験室でその説を検証したものはほとんどありませんから」とNanda氏は言う。
もしニッケルバックが地球での生命誕生に重要な役割を果たしたのであれば、他の惑星でも生命が誕生している可能性があると考えるのは妥当だ。
研究者たちは、バイオシグネチャーと呼ばれる化学的痕跡を利用して、宇宙の彼方に生命体が存在するか、あるいは誕生する可能性を探っている。ニッケルバックは、そのバイオシグネチャーのリストに加えられる可能性がある。
地球上の生命の誕生を遡ることは容易ではないが、現代から逆算する巧妙な手法により、複雑な生命がどのようにして誕生したのかが徐々に明らかになってきている。
「この研究により、単純なタンパク質代謝酵素が可能であるだけでなく、非常に安定で非常に活発であることが示されました」
論文
- Science Advances: Design of a minimal di-nickel hydrogenase peptide
参考文献
- Rutgers University: Rutgers Scientists Identify Substance That May Have Sparked Life on Earth
- via Phys.org
研究の要旨
太古の代謝過程では、ヒドロゲナーゼによって水素分子が可逆的に酸化される。現存するヒドロゲナーゼ酵素は、数百個のアミノ酸と複数の補酵素からなる複雑なものである。我々は、様々な条件下でプロトンから水素分子を強固に生成できる13アミノ酸のニッケル結合ペプチドを設計した。このペプチドは、[NiFe]ヒドロゲナーゼのNi-Feクラスターやアセチル-CoA合成酵素のNi-Niクラスターに類似した構造のジニッケルクラスターを形成し、古くから存在する代謝に関わる2つのタンパク質であることが分かった。これらの実験結果は、現代の酵素が非常に複雑であるにもかかわらず、初期の地球では単純なペプチド前駆体から進化した可能性が高いことを示している。
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