ほぼ自己複製できるRNA鎖が生命の起源の鍵となる可能性

RNA ワールド仮説によると、RNA 分子が自分自身のコピーをより多く作る能力を進化させたときに生命が始まりました。今回、私たちはこれをほぼ実行できる RNA 分子を発見しました。この RNA 分子は、一度にすべてではありませんが、関係する重要なステップを実行できます。

「RNAには適切な条件下で自らを作る能力があると確信できるところまで到達するのは長い探求でした。これはそれが可能であることを示していると思います」と英国ケンブリッジのMRC分子生物学研究所のフィリップ・ホリガー氏は言う。

生きた細胞では、タンパク質は化学反応の触媒などの重要な役割を果たし、タンパク質を作るためのレシピは二本鎖 DNA 分子に保存されています。 RNA は、通常は一本鎖の形で存在する DNA の化学的類似物です。

DNA は安定性が低いため、情報の保存には DNA ほど適していませんが、DNA にはできないこと、つまり折りたたんで化学反応を触媒できるタンパク質のような酵素を形成することができます。 RNA は情報を保存し、触媒として機能することができるため、生命はそれ自身の形成を触媒することができる RNA 分子から始まった可能性があることが 1960 年代にはすでに示唆されていました。

しかし、そのような分子を見つけることは非常に困難であることが判明しました。研究者らは長い間、自己複製する RNA は比較的大きくて複雑であるに違いないと考えていたが、大きな RNA を広げて複製するのは非常に難しいことが判明した。

さらに、比較的短い RNA 分子は適切な条件下で自発的に形成できることが示されていますが、大きな分子がそのように形成する可能性は非常に低いです。

「このことから、私たちは、おそらく私たちが間違っているのではないかと考えるようになりました。おそらく、何か単純な、小さな何かで、このプロセスを実行できるかもしれません」とホリガー氏は言います。 「それで、探しに行ったら、一つ見つけたんです。」

RNA はヌクレオチドと呼ばれる構成要素で構成されています。研究チームは、20、30、または 40 ヌクレオチドの長さの 1 兆個のランダム配列を生成することから始めました。この中から、ヌクレオチドを結合するなどの反応を行えるものを3つ選び出した。 3 つは結合され、配列の一部をランダムに変更または突然変異させて、よりパフォーマンスの高い変異体を選択するという、数回の進化ラウンドを経ました。

得られた分子は QT45 と呼ばれ、長さはわずか 45 ヌクレオチドです。氷点近くのアルカリ水中では、一本鎖 RNA を鋳型として使用し、2 ヌクレオチドまたは 3 ヌクレオチドの短い鎖を結合して相補鎖を作成できます。これには、自身の配列と相補的な配列も含まれます。 「現時点では非常に遅く、利回りも低いですが、それは驚くべきことではありません」とホリガー氏は言います。

QT45 は、それらの相補鎖から自分自身のコピーをさらに多く作ることもできます。 「これは初めて、自身とそのコード鎖を生成できる RNA の一部であり、これらが自己複製の 2 つの構成反応です」とホリガー氏は言います。しかし今のところ、チームは同じコンテナ内で両方の反応を起こすことには成功していない。現在の計画では、分子をさらに進化させ、凍結融解サイクルなどの条件を実験して、両方の反応が同時に起こるかどうかを確認する予定です。

「最も興味深いのは、システムが自己複製を開始すると、自己最適化が始まることです」とホリガー氏は言います。それは、エラーが発生したプロセスによって多くのバリエーションが生成され、そのうちのいくつかがより適切に機能し、さらに多くのバリエーションが生成される可能性があるためです。

ドイツのグライフスヴァルト大学のザビーネ・ミュラー氏は、「ホリガー研究室からの新たな結果は例外的であり、重要な進歩であり、完全な自己複製RNAにさらに近づくものである」と述べている。

「おそらく、この発見の最も重要な側面は、これらの自己合成能力を持つ中程度の大きさの RNA オリゴマー配列を発見したことです」とウィスコンシン大学マディソン校のザカリー・アダムは言う。

45 ヌクレオチド長の RNA 配列の数だけでも「想像を絶するほど大きい」とアダム氏は指摘します。そのため、チームはわずか 1 兆個のランダムな配列の開始点から QT45 を見つけるのに成功しました。

初期の地球では、QT45 に似た分子が、氷が存在するだけでなく、凍結融解サイクルを引き起こし、pH 勾配を作り出すための熱水活動もあり、現在のアイスランドに似た環境で自己複製できたかもしれない、とホリガー氏は言う。主要な成分を分離するには、ある種の区画化が必要になるだろうと同氏は考えているが、氷の中の溶けた水のポケットから、脂肪酸から自発的に形成される細胞状の小胞まで、これが起こる可能性はたくさんある。