生命の起源：ダーウィンの進化は生命そのものの前に始まったのか？

ミュンヘン大学の科学者による研究は、サブユニット組成などの高分子分子の基本的な特性が、おそらくプレバイオティクスの設定で選択プロセスをトリガーするのに十分であることを示しています。

地球に生命が出現する前は、地球上の多くの物理的および化学的プロセスは非常に混沌としていました。サブユニット（DNAやRNAに見られる塩基など）で構成されるさまざまな長さの多くの小さな化合物やポリマーが、考えられるすべての組み合わせで存在していました。

実物のような化学プロセスが発生する前に、これらのシステムのカオスのレベルを下げる必要がありました。新しい研究で、ディーターブラウンが率いるLMU物理学は、単純なポリマーの基本的な特性が、プレバイオティクス環境の特定の側面とともに、無秩序を減らす選択プロセスにつながる可能性があることを示しました。

以前の出版物で、ブラウンの研究チームは、海底の多孔質火山岩内の狭い水で満たされたチャンバー内で空間秩序がどのように進化するかを調査しました。

これらの研究は、温度差とソレット効果として知られる対流現象の存在下で、RNA鎖が長さに応じて数桁局所的に蓄積する可能性があることを示しました。 「問題は、私たちが得るより長い分子の塩基配列が完全に混沌としていることです」とブラウンは言います。

進化したリボザイム（RNAベースの酵素）は、分子が特定の形状に折りたたまれることができる非常に特異的な塩基配列を持っていますが、初期の地球で形成されたオリゴマーの大部分はおそらくランダムな配列を持っていました。

「「シーケンススペース」として知られる可能な塩基配列の総数は、信じられないほど多いです」と、新しいレポートの最初の著者であるPatrickKoudellaは言います。

「これにより、機能的なリボザイムまたは同等の分子の特徴である複雑な構造を、純粋にランダムなプロセスで組み立てることがほぼ不可能になります。」これにより、LMUチームは、より大きな「オリゴマー」を形成するための分子の拡大が、ある種の事前選択メカニズムの影響を受けるのではないかと疑うようになりました。

生命の初期には、細胞複製の複雑なメカニズムと比較して、非常に単純な物理的および化学的プロセスがわずかしかなかったため、シーケンスの選択は、環境とオリゴマーの特性に基づいている必要があります。

これがブラウンのグループの研究の出番です。オリゴマーの触媒機能と安定性にとって、DNAのよく知られたらせん構造と同様の二本鎖を形成することが重要です。これは多くのポリマーの基本的な特性であり、2本鎖部分と1本鎖部分の両方で複合体を作成することを可能にします。一本鎖部品は2つの方法で修理できます。

第一に、鎖が一塩基で終結して完全な二本鎖を形成する、いわゆる重合による。もう1つは包帯として知られているものです。このプロセスでは、長いオリゴマーが互いに結合します。ここでは、二本鎖部分と一本鎖部分の両方が形成され、オリゴマーのさらなる成長を提供します。

「私たちの実験は、多数の短いDNA鎖から始まります。初期のオリゴマーのモデルシステムでは、アデニンとチミンの2つの相補的な塩基のみを使用します」とDieterBraun氏は言います。 「ストランドをランダムな配列とリンクすると、ストランドが長くなり、ランダムな塩基配列が少なくなると仮定します。」

次に、ブラウンのチームは、ヒトゲノムの分析でも使用されている方法を使用して、これらの実験からの配列混合物を分析しました。テストでは、シーケンスのエントロピー、つまり、再構築されたシーケンスの無秩序またはランダム性の程度が、これらの実験で実際に減少したことが確認されました。

研究者はまた、この「自己生成」命令の理由を特定することができました。彼らは、得られた配列のほとんどが2つのクラスに分類されることを発見しました-塩基組成は70％アデニンと30％チミン、またはその逆です。

「2つの塩基のうちの1つの比率が非常に高いため、糸はそれ自体で折りたたむことができず、ライゲーションの反応パートナーとして残ります」とブラウンは説明します。したがって、反応は実際には、2つの塩基のそれぞれの半分でストランドを形成しません。 「また、短いDNAプールの構成に小さな歪みが見られ、特に長い製品ストランドで、位置に依存する明確な動機付けパターンが残ります」とBrown氏は言います。

その結果は研究者を驚かせました。なぜなら、特定の塩基比を持つ2つの異なる塩基のストランドでは、互いに区別する方法が限られているからです。 「特別なアルゴリズムだけがそのような驚くべき詳細を検出することができます」と科学者は言います。

実験は、オリゴマーとその環境の最も単純で最も基本的な特性が選択的プロセスの基礎として役立つことができることを示しています。単純化されたモデルシステムでも、さまざまな選択メカニズムが機能する可能性があります。これは、さまざまな長さスケールでのフィラメントの成長に影響を与え、さまざまな要因の組み合わせの結果です。

ディーター・ブラウンによれば、これらの選択メカニズムは、リボザイムなどの触媒的に活性な複合体の形成の前提条件であり、したがって、カオスからの生命の出現に重要な役割を果たしました。