RNAワールド仮説によると、RNA分子が自分自身のコピーをより多く作る能力を発達させたときに生命が始まりました。今回、私たちはこれをほぼ実行できる RNA 分子を発見しました。この RNA 分子は、一度にすべてではないものの、関係する主要なステップを実行できます。

英国ケンブリッジにあるMRC分子生物学研究所のフィリップ・ホリガー氏は、「RNAには適切な条件下で自らを作る能力があると確信できるところまで到達するのは長い探求だった。これはそれが可能であることを示していると思う」と語る。

生きた細胞では、タンパク質は化学反応の触媒などの重要な機能を果たしており、タンパク質の製造方法は二本鎖 DNA 分子に保存されています。 RNA は、通常は一本鎖として存在する DNA の化学的類似物です。

DNA は安定性が低いため、情報の保存には DNA ほど優れていませんが、DNA にはできないこと、つまりタンパク質に折りたたまれて化学反応を触媒できる酵素を形成することができます。 RNA は情報を保存し、触媒として機能することができるため、生命はそれ自体の形成を触媒できる RNA 分子から始まった可能性があることが 1960 年代初頭に示唆されました。

しかし、そのような分子を見つけるのは非常に難しいことが判明しました。研究者らは長い間、自己複製する RNA は比較的大きくて複雑でなければならないと信じてきましたが、大きな RNA を複製させることは非常に困難でした。

さらに、比較的小さな RNA 分子は適切な条件下で自発的に形成できることが示されていますが、より大きな分子はその可能性がはるかに低いです。

「それは私たちが間違っているのではないかと考えさせました。おそらく、何か単純な、小さなことがこのプロセスを実現させる可能性があります」とホリガー氏は言います。 「それで、探し始めたところ、一つ見つかりました。」

RNAはヌクレオチドと呼ばれる構成要素で構成されています。研究チームは、20、30、または 40 ヌクレオチド長の 1 兆個のランダム配列を生成することから始めました。このうち、ヌクレオチド同士を連結するなどの反応を実行できるものを3つ選んだ。 3 つすべてがリンクされ、シーケンスの一部をランダムに変更または置換し、よりパフォーマンスの高いバリアントを選択するなど、数回の進化を経ました。

得られた分子は QT45 と呼ばれ、長さはわずか 45 ヌクレオチドです。氷点ぎりぎりのアルカリ水中では、一本鎖 RNA を鋳型として使用し、2 ヌクレオチドまたは 3 ヌクレオチドの短い鎖を連結して相補鎖を作成します。これには、自身の配列に相補的な配列を作成することも含まれます。 「現時点では生産が非常に遅く、収量も低いですが、それは驚くべきことではありません」とホリガー氏は言います。

QT45 は、それらの補完的なスレッドから自身のコピーをさらに作成することもできます。 「これは初めて、自身とそのコード鎖を生成できる RNA の一部であり、これらは自己複製の 2 つの要素の反応です」とホリガー氏は言う。しかし今のところ、チームは同じ容器内で両方の反応を達成することに成功していない。現在の計画は、分子をさらに開発し、凍結融解サイクルなどの条件を実験して、両方の反応が同時に起こるかどうかを確認することです。

「最も興味深いのは、システムが自己複製を開始すると、自動的に適応するはずだということです」とホリガー氏は言います。これは、エラーを含むプロセスによって多くのバリエーションが生成され、そのうちのいくつかはより適切に機能したり、より多くのそれ自体を再現したりする可能性があるためです。

ドイツのグライフスヴァルト大学のザビーネ・ミュラー氏は、「ホリガー研究室の新たな結果は驚くべきものであり、完全な自己複製RNAに近づく重要な進歩である」と語る。

ウィスコンシン大学マディソン校のザカリー・アダム氏は、「おそらく、この発見の最も重要な点は、こうした自己合成能力を持つ中型のRNAオリゴマー配列の発見だろう」と語る。

アダム氏は、45 ヌクレオチド長の RNA 配列の数だけでも「想像を絶するほど大きい」ため、研究チームは 1 兆を超えるランダム配列から出発して QT45 を見つけることに成功したと説明しています。

初期の地球では、QT45 に似た分子が現在のアイスランドのような環境で自己複製できた可能性があり、そこには氷が存在するが、凍結融解サイクルを動かし、pH 勾配を作り出す熱水活動もあったとホリガー氏は言う。彼らは、主要成分を分離するには何らかの形式の分別が必要であると考えているが、これは、氷の中の溶けた水のポケットから脂肪酸から自発的に形成される細胞様小胞まで、さまざまな方法で起こる可能性がある。