生命の起源のモデル化: 「RNA ワールド」の新たな証拠

生命の起源のモデル化: 「RNA ワールド」の新たな証拠

ソークの科学者は、ダーウィンの進化を分子スケールで可能にするRNAの能力を明らかにし、研究者が実験室で自律的なRNA生命を生み出すことに近づける

【ラホーヤ】チャールズ・ダーウィンは進化を「変化を伴う降下」と表現した。 DNA 配列の形での遺伝情報はコピーされ、世代から世代へと受け継がれます。しかし、このプロセスはある程度柔軟性があり、時間の経過とともに遺伝子のわずかな変異が生じ、集団に新しい形質が導入されることを許容する必要があります。

しかし、これらすべてはどのようにして始まったのでしょうか?細胞、タンパク質、DNA が誕生するずっと前の生命の起源において、同様の進化がもっと単純な規模で起こった可能性はあるでしょうか?ソーク研究員のレスリー・オーゲルを含む1960年代の科学者たちは、生命は「RNAワールド」から始まったと提案した。この時代は、小さくてひものようなRNA分子が初期の地球を支配し、ダーウィンの進化の力学を確立したという仮説の時代である。

ソーク研究所の新しい研究は現在、生命の起源に関する新たな洞察を提供し、RNAワールド仮説を支持する説得力のある証拠を示しています。この研究は、 国立科学アカデミー紀要（PNAS） は4年2024月XNUMX日に、他の機能的なRNA鎖の正確なコピーを作成できると同時に、時間の経過とともに分子の新しい変異体の出現を可能にするRNA酵素を発表した。これらの注目すべき能力は、進化の初期形態が RNA において分子スケールで起こった可能性があることを示唆しています。

この発見により、科学者たちは実験室で RNA ベースの生命体を再現することにまた一歩近づきました。研究室でこれらの原始的な環境をモデル化することにより、科学者は、地球または他の惑星で生命がどのように始まったのかについての仮説を直接検証することができます。

「私たちは進化の夜明けを追いかけている」と上級著者でありソーク社長は言う ジェラルド・ジョイス。 「RNAのこうした新しい能力を明らかにすることで、生命そのものの潜在的な起源と、単純な分子がどのようにして今日私たちが見ている生命の複雑さと多様性への道を切り開いたのかを明らかにしているのです。」

科学者は DNA を使用して、現代の植物や動物から最古の単細胞生物に至るまでの進化の歴史を追跡できます。しかし、それ以前に何が起こったのかは不明のままです。二本鎖 DNA ヘリックスは遺伝情報の保存に最適です。これらの遺伝子の多くは、最終的に、細胞を生かし続けるためのあらゆる種類の機能を実行する複雑な分子機械であるタンパク質をコードします。 RNA がユニークなのは、これらの分子が両方の機能を少しだけ実行できることです。これらは DNA と同様に拡張されたヌクレオチド配列で構成されていますが、タンパク質と同様に、反応を促進する酵素としても機能します。それでは、RNAが私たちが知っている生命の前駆体として機能した可能性はあるのでしょうか?

ジョイスのような科学者は、RNA ポリメラーゼ リボザイム (他の RNA 鎖のコピーを作成できる RNA 分子) に特に焦点を当てて、このアイデアを長年研究してきました。過去 10 年間にわたり、ジョイスと彼のチームは、より大きな分子を複製できる新しいバージョンを生成するための定向進化の形式を使用して、研究室で RNA ポリメラーゼ リボザイムを開発してきました。しかし、そのほとんどには致命的な欠陥があります。十分な精度でシーケンスをコピーできないということです。何世代にもわたって、非常に多くのエラーが配列に導入され、結果として生じる RNA 鎖は元の配列に似なくなり、その機能を完全に失います。

今まで。 研究室で開発された最新の RNA ポリメラーゼ リボザイムには、非常に高い精度で RNA 鎖をコピーできるようにする多くの重要な変異が含まれています。

これらの実験では、コピーされる RNA 鎖は「ハンマーヘッド」、つまり他の RNA 分子を切断して断片にする小分子です。研究者らは、RNAポリメラーゼのリボザイムが機能的なハンマーヘッドを正確に複製しただけでなく、時間の経過とともにハンマーヘッドの新しいバリエーションが出現し始めたことに驚いた。これらの新しい変異体は同様に機能しましたが、突然変異により複製が容易になり、進化的適応度が高まり、最終的には研究室のシュモクザメ個体群を支配するようになりました。

ジョイスの研究室の研究員で筆頭著者のニコラオス・パパスタヴロウ氏は、「生命の始まりがどれほど単純で、いつから生命が自らを改善し始める能力を獲得したのか、私たちは長い間疑問に思ってきた」と語る。 「この研究は、進化の夜明けが非常に初期で非常に単純なものであった可能性があることを示唆しています。個々の分子レベルの何かがダーウィンの進化を維持する可能性があり、それが生命を分子から細胞、そして多細胞生物へとさらに複雑にするきっかけとなったのかもしれない。」

この発見は、進化を可能にする上で複製の忠実度が非常に重要であることを強調しています。複数の世代にわたって遺伝情報を維持するには、RNA ポリメラーゼのコピー精度が臨界閾値を超える必要があり、進化する RNA のサイズと複雑さが増すにつれて、この閾値は上昇したと考えられます。

ジョイスのチームは、いつか自己複製可能な RNA ポリメラーゼを生成することを目標に、このプロセスを実験室の試験管で再現し、より性能の高いポリメラーゼを生成するためにシステムに選択圧力を高めています。これは研究室における自律的なRNAの生命の始まりを示すものであり、研究者らは今後10年以内にそれが達成される可能性があると述べている。

科学者たちはまた、この小さな「RNAワールド」がより自律性を獲得した場合に、さらに何が起こるかにも興味を持っています。

「選択圧によって、既存の機能を備えた RNA が改善されることがわかってきました。しかし、より大きな RNA 分子集団でシステムを長期間進化させれば、新しい機能が発明できるでしょうか?」共著者でジョイスの研究室のスタッフサイエンティストであるデビッド・ホーニング氏は言う。 「私たちは、ソークで開発されたツールを使用して、初期の生命がどのようにしてその複雑さを増していくのかを答えられることに興奮しています。」

ジョイス研究室で使用された方法は、地球と他の惑星の両方でどのような環境条件がRNAの進化を最もよく支えたのかなど、生命の起源に関する他のアイデアを検証する将来の実験への道も開く。

この研究は NASA (80NSSC22K0973) とシモンズ財団 (287624) によって支援されました。

DOI： 10.1073 / pnas.2321592121