2024 年 10 月 22 日

鏡を通して:クロスキラル反応が生命の定義に挑む

ソーク研究所の科学者らがクロスキラル指数関数的増幅を達成、新たな形態の人工生命と革新的な医薬品開発戦略の実現が可能になる可能性

ソークニュース


鏡を通して:クロスキラル反応が生命の定義に挑む

ソーク研究所の科学者らがクロスキラル指数関数的増幅を達成、新たな形態の人工生命と革新的な医薬品開発戦略の実現が可能になる可能性

ラホヤ—あなたの左手と右手が互いの鏡像として存在するのと同じように、多くの生物学的分子はそれぞれ独自の左利きと右利きの形を持ち、これをキラリティーと呼びます。たとえば、私たちの DNA は右利きのキラル分子からできており、それが結合して右利きの二重らせんを形成します。左利きバージョンは鏡像のように見え、反対方向に回転するらせんを形成します。

しかし、自然界にはどちらか一方を選ぶ傾向がある。地球上では、DNA と RNA は右利きの形でのみ存在する。科学者がこれらの分子の左利きバージョンを合成したとしても、2 つのグループは鏡の反対側にいるかのように振る舞い、互いに相互作用することはできない。

しかし、もしそれが可能だとしたらどうなるでしょうか? 分子が鏡を通り抜けて、反対側の反射された世界と相互作用できたらどうなるでしょうか? これが連鎖反応を引き起こし、両側の分子がこれまで見たことのない方法で連携して働くようになるとしたらどうなるでしょうか?

左上から: ウェスリー・コクラン氏とグラント・ベア氏。左下から: デビッド・ホーニング氏とジェラルド・ジョイス氏。
左上から: ウェスリー・コクラン氏とグラント・ベア氏。左下から: デビッド・ホーニング氏とジェラルド・ジョイス氏。
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クレジット:Salk Institute

これはまさにソーク研究所の科学者たちが今達成したことだ。22年2024月XNUMX日に発表された研究で、 米国科学アカデミー紀要研究者らは、RNA 酵素のクロスキラル指数関数的増幅を初めて実証しました。高度なバイオエンジニアリング技術を使用して、RNA 酵素の左手型と右手型が効果的に「鏡を通して」到達し、互いに複製できる化学システムを作成しました。このクロスキラル自己複製により、両方の分子の量が指数関数的に無限に増加します。これは生物学以外ではめったに見られない現象です。

実際、NASA は生命を「ダーウィンの進化論的思考が可能な自立した化学システム」と定義しています。研究者らは、これがキラリティーの鏡の両側で機能する生命のような化学システムの初めての証拠であると語っています。

「指数関数的な自己複製は、あらゆる生物系の成長と進化に必要である」と共同責任著者でソーク研究所長のイアン・マイヤー氏は言う。 ジェラルド・ジョイス「細胞は単に自らを増やすのではなく、指数関数的に自らを増やします。そして、その急速な成長が競争、自然淘汰、進化を促します。私たちは今、まだ生命ではないものの、生命への道を歩み、左利きと右利きの分子間の相互作用に基づいて構築された、指数関数的な遺伝子自己複製の形を設計できることを示しました。」

クロスキラル自己複製が自然界で自然に発生する可能性は低いが、実験室環境で操作できるという発見は、科学者がいつの日か左利きと右利きの分子の両方を使用する人工生命システムを合成できる可能性を示唆している。これにより、まったく新しい形態の生化学的進化を研究する機会が生まれ、クロスキラル治療法やバイオテクノロジーの開発にもつながる可能性がある。

ソーク研究所の科学者たちは、左利きの RNA 断片 (右下) を組み合わせて鏡像を作成できる右利きの RNA 酵素 (左下) を設計しました。新しい左利きの RNA 酵素 (右上) は、右利きの RNA 断片 (左上) を組み合わせて元の右利きの酵素をさらに生成し、クロスキラル自己複製のサイクルを再開します。Cochrane ら、PNAS 2024 より引用。
ソーク研究所の科学者たちは、左利きの RNA 断片 (右下) を組み合わせて鏡像を作成できる右利きの RNA 酵素 (左下) を設計しました。新しい左利きの RNA 酵素 (右上) は、右利きの RNA 断片 (左上) を組み合わせて元の右利きの酵素をさらに生成し、クロスキラル自己複製のサイクルを再開します。Cochrane ら、PNAS 2024 より引用。
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クレジット:Salk Institute

「地球や他の惑星の生命は単独で存在すると我々は予想してきたが、我々の研究は、バイオエンジニアにとっては必ずしもそうではないことを示唆している」と、ジョイス研究室の上級スタッフ科学者で共同責任著者のデイビッド・ホーニング氏は言う。「我々は本質的に、生物学の可能性の限界を探っているのだが、この研究に基づくと、生命の定義は、自然界ほど研究室では狭くする必要はないようだ。」

クロスキラル指数関数的増幅を実現するために、共同筆頭著者のウェスリー・コクラン氏とグラント・ベア氏は、RNA の指向性進化を促進する研究室の先駆的手法を拡張しました。この場合、このシステムを使用して、逆手バージョンの作成に非常に優れた RNA 酵素が生成されました。重要な点は、同じ酵素をさらに操作して、他の有用な機能を実行する追加の RNA 製品も作成できるようになったことです。結果として得られるクロスキラル自己触媒システムは、医療やバイオ製造の分野で多くの用途が考えられます。

例えば、著者らは、将来的には、体内の右利き分子と非常に特異的かつ望ましい方法で相互作用する新しい左利きRNAを合成できるだろうと述べている。これらの左利きRNAは細胞や免疫系によってほとんど検知されないため、他の薬剤ほど急速に分解されない。また、他の右利き分子と相互作用することもないため、標的外の副作用の可能性も低くなる。

このクロスキラル戦略は、まったく新しい種類の治療法、診断法、研究ツールを生み出す可能性があります。ジョイス研究室では、病気に関連する RNA やタンパク質に結合する左利きの RNA を生成するシステムをすでに開発しています。別のプロジェクトでは、シグナル増幅器としての使用を検討しており、研究者や臨床医がウイルス RNA などの特定の関心分子の微量を検出できるようにしています。

「それは、私たちの生物学の隣に並行する生物学があるようなものですが、それは完全に私たちによって設計されており、自然はそれを妨害することはできません」とホーニング氏は言います。「クロスキラル自己複製は、生化学的可能性のまったく新しい世界を開きます。そのため、私たちはこれらの鏡像分子を私たちの利益のために使用できるすべての方法を想像し始めたばかりです。」

この研究は、テキサス A&M 大学の Jon Sczepanski 教授との共同研究で国立科学財団 (MCB2114588) の支援を受け、また Wesley Cochrane 氏に対する国立衛生研究所 Ruth L. Kirschstein 国立研究サービス賞 (F32GM146435) の支援を受けて実施されました。

DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2413668121

出版情報

ジャーナル

米国科学アカデミー紀要

TITLE

RNA酵素のクロスキラル指数関数的増幅

作者

ウェズリー・G・コクラン、グラント・AL・ベア、ジェラルド・F・ジョイス、デイビッド・P・ホーニング

詳細については

通信局
電話:(858)453-4100
press@salk.edu

ソーク生物学研究所:

生命そのものの秘密を解き明かすことが、ソーク研究所の原動力です。 受賞歴のある世界クラスの科学者からなる当社のチームは、神経科学、がん研究、老化、免疫生物学、植物生物学、計算生物学などの分野で知識の限界を押し広げています。 最初の安全で効果的なポリオ ワクチンの開発者であるジョナス ソークによって設立されたこの研究所は、独立した非営利研究組織であり、建築上のランドマークでもあります。選択により小規模で、本質的に親密で、どんな困難にも恐れることはありません。