生命の起源の未解決の謎: 新たな戦略

長年にわたる進歩にもかかわらず、生命の起源は依然として科学の最も永続的な謎の 1 つです。

「生物学の最も重要な特徴は、生物は細胞で構成されており、細胞を通じて遺伝情報を伝達することです。 DNA「彼らは代謝を促進するためにタンパク質酵素を使用しており、そのすべては進化の歴史の非常に初期の特定のプロセスを通じて出現しました」とオーバリン大学の生物学助教授アーロン・ゴールドマンは言う。 「これらの基本的な生物学的システムが最初にどのように形成されたかを理解することは、生命が基本的なレベルでどのように機能するかについての洞察を与えるだけでなく、そもそも生命とは実際には何なのか、また地球を超えて生命をどのように探索できるのかについても洞察を与えるでしょう。」

生命がどのようにして誕生したのかという問題は、通常、初期の地球の環境をシミュレートし、今日の生物で見られるのと同じ種類の生体分子や代謝反応を生み出す可能性のある化学を探す室内実験を通じて研究されます。 これは、プレバイオティクスのために地球上にあるであろう材料を使用するため、「ボトムアップ」アプローチとして知られています。

これらのいわゆる「プレバイオティクス化学」の実験は、どのように生きるかを実証することに成功しました。 がある可能性があり 大人になると、彼らは人生が実際にどのようなものであるかを教えてくれません 行為 起きます。 一方、進化生物学の技術を利用して、現在の生命体のデータに基づいて初期の生命体がどのような姿をしていたかを再構築する研究も行われています。 これは「トップダウン」アプローチとして知られており、地球上の生命の歴史について知ることができます。

しかし、トップダウンの研究では、今日の生物にまだ保存されている遺伝子があったため、遡ることしかできず、生命の起源にまで遡ることはできません。 トップダウン研究とボトムアップ研究は、限界はあるものの、生命の起源を発見するという共通の目標を目指しており、理想的には、その答えは共通の条件に収束するはずです。

ゴールドマン、ロリ・バージ（宇宙生物学の研究科学者）によって発表された新しい記事 NASAジェット推進プラント (ジェット推進研究室)) とその同僚は、この方法論的なギャップを埋めるために取り組んでいます。 著者らは、生命の起源に至るもっともらしい道筋に関するボトムアップの実験室研究と、初期生命体のトップダウンの進化的再構築を組み合わせることで、初期の地球で実際に生命がどのように誕生したかを解明できると主張している。

著者らは論文の中で、ボトムアップ研究とトップダウン研究の両方を組み合わせることで研究できる、今日の生命の根本的な現象である電子伝達系について説明しています。

電子伝達系は、細菌から人間に至るまで、生命の樹全体の生物が利用可能な形態の化学エネルギーを生成するために使用する代謝システムの一種です。 多くの異なるタイプの電子伝達鎖は、それぞれの生命体と、それらが使用するエネルギー代謝に特有です。たとえば、私たちのミトコンドリアには、従属栄養性（食物を消費する）エネルギー代謝に関連する電子伝達鎖が含まれています。 一方、植物にはまったく異なる電子伝達系が取り付けられています。 光合成 （太陽光からエネルギーを生成します）。

そして微生物の世界全体を通して、生物はさまざまなエネルギー代謝プロセスに関連する広範囲の電子伝達系を使用しています。 しかし、これらの違いにもかかわらず、著者らは、このタイプの代謝戦略が非常に初期の生命体によって使用されたことを示すトップダウン研究からの証拠を説明し、進化の歴史の非常に初期まで遡ることができる祖先の電子伝達系のモデルをいくつか提供しています。

彼らはまた、私たちが知っている生命が誕生する前であっても、初期の地球の海洋の鉱物と水によって電子伝達連鎖のような化学が促進されていた可能性があることを示す、現在のボトムアップ証拠を調査した。 これらの観察に触発された著者らは、古代のエネルギー代謝と生命の起源をより広範に理解するために、電子伝達系の最古の歴史に関するトップダウンとボトムアップの研究を組み合わせた将来の研究戦略を概説している。

この研究は、JPLのバージ氏が率いるこの学際的かつ学際的なチームによるこれまでの5年間の研究の集大成であり、このチームはNASA-NSF生命の起源に関するアイデアラボから資金提供を受け、初期地球の地質環境で代謝相互作用がどのように生じたかを研究している。 . . 研究チームのこれまでの研究では、たとえば、金属によって引き起こされる特定の電子伝達系相互作用に注目していた（JPLの研究員であるジェシカ・ウェバーが主導）。 どうやって 古代の酵素 がある可能性があり プレバイオティクスの化学反応が活性部位に含まれています （ゴールドマン主導）。 そして エネルギーが非常に制限された環境における微生物の代謝 （南カリフォルニア大学のダグ・ラルー氏が指導者）。

「代謝の出現は学際的な問題なので、これを研究するには学際的なチームが必要です」とバージ氏は言う。 「私たちの研究では、化学、地質学、生物学、計算モデリングの技術を利用して、トップダウンとボトムアップのアプローチを組み合わせてきました。この種の協力は、プレバイオティクスの代謝経路の将来の研究にとって重要になるでしょう。」

参考文献：「進化の初期段階への窓としての電子輸送チェーン」アーロン D. 米国科学アカデミーの議事録。
DOI: 10.1073/pnas.2210924120

この研究はアメリカ航空宇宙局から資金提供を受けました。