生命分子の左利き・右利きの理由を説明できる「画期的な」発見

生命分子の左利き・右利きの理由を説明できる「画期的な」発見

https://www.science.org/content/article/breakthrough-could-explain-why-life-molecules-are-left-or-right-handed

磁性材料が初期の生体分子を歪ませたことを示唆する実験結果が得られた。
6月13日 20234:30 pmbyrobert f. service
RNAを作る分子がマグネタイト上で結晶になる
RNAを作る分子がマグネタイト上で結晶化し、プロセスを単一のキラルな形に偏らせることができるS. FURKAN OZTURK
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この記事のバージョンは、Science, Vol 380, Issue 6650に掲載されました。
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1848年、フランスの化学者ルイ・パスツールは、生命維持に不可欠な分子の一部が、私たちの左手と右手のように鏡像の形で存在することを発見しました。現在、生物学では、この「キラル」な分子の1つを選んでいることが分かっています： DNA、RNA、およびそれらの構成要素はすべて右巻きであるのに対し、アミノ酸とタンパク質はすべて左巻きである。パスツールは、この選択性（ホモキラリティ）を磁場で説明できるのではないかと考えましたが、その起源は生物学の大きな謎の1つとなっていました。しかし、その起源は生物学の大きな謎の一つでした。

研究者らは、3つの新しい論文の中で、初期の地球でよく見られた磁性鉱物が、重要な生体分子をただ1つの鏡像の形で表面に蓄積させ、同じ形を好むという正のフィードバックを引き起こした可能性を指摘しています。シカゴ大学の生命起源化学者であるジャック・ソスタック（今回の研究には参加していない）は、「これは本当に画期的なことです」と言う。「ホモキラリティは生物学を始める上で不可欠であり、これは可能性のある、そして非常に可能性の高い解決策であると言えるでしょう」。

化学反応は、通常、偏りがなく、右巻きと左巻きの分子が同量ずつ得られます。しかし、生命には選択性が必要です： 例えば、右巻きのDNAだけが、他のキラル分子と正しく相互作用するための正しいねじれをもっています。生命の起源を研究する化学者であり、ソーク生物学研究所の所長であるジェラルド・ジョイスは、「生命を得るためには、鏡を壊さなければならないし、それを引き離すこともできない」と言う。

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過去100年以上にわたって、研究者たちは、宇宙線や偏光など、最初の生体分子を偏らせるさまざまなメカニズムを提案してきた。いずれも、右巻きまたは左巻きの分子を好む初期バイアスを引き起こす可能性があるが、この初期バイアスが増幅されて、最初の細胞を作るのに必要なキラル分子が大量に作られるようになったことを直接説明することはできない。ハーバード大学の物理学者で、今回の研究のリーダーであるディミタール・サセロフ氏は、「最初の偏りを生じさせるという説明は、良いスタートにはなるが、十分とは言えない」と言う。

1999年、ワイツマン科学研究所の化学物理学者ロン・ナーマンを中心とする研究者たちが、ある分子の対向するキラル型の電子が、対照的なパターンのスピン（磁気的性質）を持つことを発見したときから、別の選択肢のヒントは始まっていた。その後の実験により、このスピンの違いによって、キラル分子と磁性体との相互作用が異なることが明らかになった。磁性体は、電子のスピンが整列して磁力を発生する。例えば、ナーマン教授らは、左利きのペプチド（短いアミノ酸鎖）が磁性体表面に結合し、右利きのペプチドは反発する可能性を発見した。しかし、この発見も、最初の偏りがどのように増幅されるかを説明するものではなかった。

2009年、増幅のメカニズムが明らかにされた。マンチェスター大学のマシュー・パウナー教授とジョン・サザーランド教授を中心とする研究者たちは、RNAが生命の起源に関わる可能性を研究していた。研究者たちは、リボアミノオキサゾリン（RAO）という分子に興味を持ち、この分子が反応してRNAのヌクレオチド構成要素のうち2つを形成することを発見した。RAOは、単一のキラリティを持つ珍しい結晶の一つである： 右巻き、左巻きどちらの分子からも結晶が成長し始めると、同じカイラリティを持つ分子だけがその構造に結合することができる。このような結晶は、もし最初に偏りがあった場合、キラルRAOを蓄積させる可能性があります。

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今回、Sasselov教授らは、この2つのピースを組み合わせました。彼らは、磁性体表面が、単一のRAOキラル形態を好む可能性があるかどうかを考えた。そこで、地殻に多く含まれる磁性鉱物であるマグネタイトに着目した。強い外部磁場をかけると、マグネタイトの電子スピンが整列し、磁性が強くなる。マグネタイトの表面に、右利きと左利きのRAO分子を等しく混ぜた溶液をかけると、60％のRAO分子が片利きの状態で定着しました。これが結晶の種となり、同種のRAOがさらに結合し、最終的に純粋な片手RAO結晶が形成された、と研究チームは先週『Science Advances』で報告した。さらに、フィールドの向きを反転させて実験を繰り返すと、反対の手の結晶が形成された。現在、ユニバーシティ・カレッジ・ロンドンに在籍するパウナーは、「これは、対称性を崩す方法として、とても素晴らしい効果です」と語っている。

カリフォルニア大学サンタクルーズ校の物理学者であるノエミー・グローバス氏は、宇宙線が生命体のキラルバイアスの発生源であることを裏付ける研究を行っている人物である。宇宙線が生命体のキラルバイアスの発生源であることを裏付ける研究をしているノエミー・グローブスは、「宇宙線は非現実的な条件を必要とします」と話す。

しかし、以前の報告では、地球の自然磁場だけを受けたマグネタイトでも、キラル分子の1つの形への偏りが、小さいながらも初期に生じることが示されている。そして、Sasselovと彼の同僚は、4月13日のarXiv preprintで、純粋なキラルRAO結晶をマグネタイトの上に置くと、結晶の電子スピンが整列することによって、その下の磁性体の電子スピンがますます整列し、正のフィードバックが発生すると報告しました。ハーバード大学の博士課程に在籍する研究員、ファルカン・オズトゥルクは、「これは自己強化であり、ある分子形態への偏りの持続性を高めるものです」と語る。

キラルRAOは、生成するRNAの構成要素にその手持ちぶさたを与え、その効果が他の生体分子にも連鎖することを、Sasselovの研究チームは明らかにした。サセロフ教授の研究チームは、その効果が他の生体分子にも連鎖することを明らかにしました。「Journal of Chemical Physics」に先週掲載された報告書によると、過剰なキラルRNAが形成されると、既知の化学反応によってこのキラルバイアスを引き継ぎ、アミノ酸やタンパク質に反対の手番が付与され、最終的には細胞の代謝に不可欠な他のキラル分子が育成される可能性があります。"これと同じように、すべてのステップを解決するソリューションは存在しない "とSzostakは言います。

しかし、パスツールから始まった探求は、まだ終わってはいない。RAOは、RNAの4つのヌクレオチドのうち、シトシンとウラシルの2つを合成することが示されているに過ぎないからである。しかし、サセロフ氏によれば、RAOでアデニンとグアニンの合成が可能かどうかを調べることは「大きな課題」である。もしそれができれば、生物学的な「手のひら」の謎は、また一歩解明に近づくかもしれない。

ドイ：10.1126/science.adj2224
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Bob Serviceはオレゴン州ポートランドのScienceのニュースレポーターで、化学、材料科学、エネルギー関連の記事を担当しています。

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