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科学者たちは生命の起源の化学的謎の解明に近づいている

数十億年前に地球が形成された後、生命がどのように機能したかを理解しようとする人々は、長い間困惑してきました。 現在、化学者たちは、すべての生命に不可欠な複雑な化合物を実験室で作成することで、そのレシピの一部を発見しました。

ケーキの材料を作るのと同じように、研究者たちは、すべての生細胞の代謝に重要であり、エネルギーの生産と調節に不可欠な化合物を作成することに成功しました。 この経路は何十年も科学者を困惑させてきたが、初期の地球に存在していた可能性のある比較的単純な分子が関与しており、これらの分子が室温で数カ月かけて結合した。

この発見は、生命の主要な構成要素の多くが早い段階で形成され、結合して生きた細胞を形成した可能性があるという考えを裏付けています。

「なぜ私たちは生命を持っているのでしょうか?なぜ化学の法則は、ここでの生命がそのように見えることを意味するのですか?」と、この本の上級著者であるマシュー・バウナーは言いました 研究論文。 これらは「私たちが答えられる最も魅力的な質問にすぎません。」

生物の外観は大きく異なりますが、それらは一次代謝産物と呼ばれる、細胞の成長と発達に直接関与する同じ基本的な化学構成要素で構成されています。 例には、タンパク質の構築を助けるアミノ酸や、リボ核酸 (RNA) や DNA を構成するヌクレオチドが含まれます。

新しい実験室では、もう一つの必須代謝産物であるコエンザイム A の起源に焦点を当てました。コエンザイム A は、(その多くの機能の 1 つとして)生命のあらゆる分野の代謝の中心にあります。 たとえば、この化合物は、酸素を必要とする生物において炭水化物、脂肪、タンパク質からエネルギーを放出する際に重要な役割を果たしますが、多くの細菌など酸素を必要としない生命体においても代謝機能を果たします。

具体的には、ポーナー氏と彼のチームは、パンテチンと呼ばれる補酵素 A 分子の特定の部分を再現することを検討していました。 パンテチンは補酵素 A の機能的な部分であり、頻繁に輸送されて体内で他の化学反応が起こることを可能にします。 この端は補因子と呼ばれ、スイッチのような役割を果たします。これがなければ補酵素は使用できません。

「私たちの代謝プロセスはすべて、これらの共通因子の小さなサブセットに依存しています」と、この研究には関与していない生物学者のアーロン・ゴールドマン氏は述べた。 「このことから、研究者らは、これらの共通因子自体が、生命の起源や進化の初期段階で、より大きくより複雑な酵素に先立って存在した可能性があると示唆しています。」

一部の研究者は、細胞が今日使用しているより大規模で複雑なエネルギー通貨が進化する前に、初期の生命体はエネルギーを貯蔵するためにパンテチンを使用していた可能性があると示唆している、とゴールドマン氏は述べた。

もしそうなら、パンテチンはどこから来たのかという謎が残ります。

「私たちは過去に戻ることはできません。生命の起源に戻ることはできません。その期間のサンプルを見つけることはできません」とユニバーシティ・カレッジ・ロンドンのポーナー教授は語った。この問題の核心は、それを再構築し、「ゼロから細胞を再設計し、生物を構築するために何が必要かを理解する」ことを開始することです。

パンテテネの建設は困難でした。 同氏は、この分子は生化学的基準からすると「奇妙」だと述べた。 それはタンパク質を構築するために使用されるペプチド(アミノ酸の鎖)の構造によく似ていましたが、より複雑な構造を与えていると思われるいくつかの奇妙な特性(奇妙な場所にある珍しい要素)を持っていました。

この化合物は非常に興味深いアヒルであり、科学者たちは以前、基本的な分子から作るには複雑すぎると示唆しました。 パンテテンは生命の起源にさえ存在していないと信じて、パンテテンの作成を試みて失敗した人もいます。 多くの科学者は、生物学がその単純なバージョンを作成し、小屋を建て、後に宮殿に変えるなど、時間の経過とともにより複雑になるように進化したと信じていました。

しかし、チームは研究室に行きました。 彼らは主に、シアン化水素や水など、初期の地球に豊富にあったであろう物質を使用することに焦点を当てました。 反応の最初の数ステップには約 1 日かかりましたが、最後のステップは 60 日間続き、これはボルダー研究所がこれまでに行った最長の反応です。 チームはついに「我々が飽きてしまったこともあり」反応を止めた、と彼は語った。 しかし、結果はパンテチンが多量でした。

ニトリルと呼ばれる窒素ベースの化合物を使用して他の研究者が実施した失敗した研究と比較して、このチームの成功は成功した。 これらの化合物は、反応を触媒するために非常に必要なエネルギーを提供しました。 ニトリルがなければ、芝刈り機があってもそれを動かすためのガスがないようなものです。

「誰も試したことがないというのは非常に驚くべきことだと思います。これらをすべて混ぜ合わせると、すべて相互に反応するでしょう」と実験を主導したユニバーシティ・カレッジ・ロンドンの博士課程候補者ジャスパー・フェアチャイルド氏は語った。混乱の上ではありますが、あなたはそうではありません。 パンテチンだけでも摂取できます。 そして私にとって、それはとても美しいことです。」

研究者らは、初期の地球では小さな水たまりや湖で反応が起きた可能性があると述べた。 しかし、広大な海洋により化学物質の濃度が薄まった可能性があります。

この研究には関与していない化学者のジョセフ・モラン氏は、「これは、補酵素のような最も複雑な分子であっても、生命の分子がどのように形成される準備ができているかを示すもう一つの美しい例である」と述べた。

このような複雑な分子の簡単なレシピは、地球上で生命がどのように始まったかを再考する可能性があります。 ポーナー氏によれば、歴史的に、科学者たちは、生体分子はまるで初期のように徐々に出現したと示唆してきた RNAの世界 これが後にタンパク質やその他の化学物質の出現につながりました。

しかし今回の新たな発見は、生命の必須要素の多くが同じ基本的な化学物質と条件から同時に生成され、タンパク質、RNA、その他の成分が同時に生成された可能性があることを示している。 実際、チームの以前の研究では、同様の条件と反応を使用して、ヌクレオチド (DNA の作成を助ける) とペプチド (タンパク質の作成を助ける) を作成しました。 これらの基本的な要素が集まり、相互作用し、最終的に生命の起源につながった可能性があります。

これらの成分がどのように形成され融合するのかをより深く理解できれば、科学者が実験室や別の惑星で安定した物質から生命を創造するのに役立つ日が来るかもしれません。

「私たちはそれを実現するには程遠いです [from scratch] 「巣箱を作りなさい」とポーナーは言った。 「これは私が生きているうちには起こらないかもしれませんが、私たちはこれらの分子がどのように連携して機能するかを理解しようとしています。」

この記事はの一部です 隠された惑星、地球とその先の驚くべき、予期せぬ、奇妙な科学を探求するコラム。

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