初期の地球化学を解き明かす: 塩

東京工業大学

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クレジット: 東京工業大学

数十億年前、地球は活火山、厳しい大気、そして確かに生命が存在しない非常に敵対的な惑星でした。 しかし、この前生物的な地球は、初期の環境に由来するさまざまな非生物的な有機分子で満たされており、それらは最終的に生命の起源につながる化学反応を起こしました。 生物以前の時代に豊富に存在したそのような非生物分子の一種は、現代の生活に必須の𝛼アミノ酸の構造といくらか似た構造を持つモノマーである𝛼-ヒドロキシ酸 (𝛼HA) でした。 しかし、生物学におけるそれらの現在の存在量は少ないです。

𝛼HA モノマーの脱水と再水和によって生成されるポリエステル微液滴は、原始細胞モデルとして提案されており、原始的な水性環境内の塩など、さまざまな原始的な分析物と相互作用して取り込む原始的なコンパートメントの一種であった可能性があります。 しかし、塩とポリエステルの相互作用やポリエステル微液滴内での塩の取り込みについては、適切な分析技術が不足しているため、依然として十分に研究されていません。

この認識のギャップを埋めるために、理化学研究所（元東京工業大学）のチェン・チェン特別研究員と東京工業大学地球生命科学研究所のトニー・Z・ジア特任准教授が率いる研究チームは、彼らは最近、ポリエステル微小液滴に対する塩分の取り込みの影響を調査するための新しい戦略を考案しました。 2023 年 5 月 18 日に Small Methods に掲載された彼らの画期的な成果は、ポリエステル微液滴による塩の取り込みを特徴付け、塩を介した挙動を理解するために、既存の分光学的および生物物理学的手法を使用する新しい方法を提案しました。

「𝛼HAやポリエステルなどの原始的な分子は、アミノ酸ほど現在の生命システムで一般的に使用されていないものの、地球上の生命の起源につながった原始的な化学システムの進化の基礎を築いた可能性があります。塩などのさまざまなプレバイオティクス分析物と、ポリエステル液滴が塩を取り込むことができるかどうかを決定することで、原始的なコンパートメントが示す関連機能についての洞察が得られます」と Jia 教授は説明します。

ᴅʟ-3-フェニル乳酸 (PA) などの HA は、初期の地球を模倣した条件下で脱水を受けてゲル状のポリエステルを形成する可能性があります。 さらに再水和すると、膜のない微液滴が集合します。 これらの膜のない液滴は、核酸、小さな有機分子、タンパク質などの原始的な分析物を分離することが以前に判明しています。

研究では、生命は古代の水環境で誕生し、進化したという仮説が立てられています。 ポリエステル微液滴が原始的な水性環境に存在していた場合、原始的な水性環境に見られる主要な分析物である塩も取り込まれた可能性があり、その後、微液滴の構造も変化した可能性があります。 そこで研究チームは、PA（中性モノマー）、リンゴ酸（酸性側鎖を持つモノマー）、4-アミノ-2-ヒドロキシ酪酸（塩基性側鎖を持つモノマー）などのさまざまな𝛼HAを脱水合成に供した。 、続いて水性媒体中で再水和して、中性、酸性残基含有、および塩基性残基含有ポリエステル微液滴を生成する。 実際、この研究は、酸性残基を含むポリエステル微小液滴の妥当性を初めて示したものでした。 次に、初期の海洋に豊富に存在した可能性のあるさまざまな濃度のさまざまな塩化物塩 (NaCl、KCl、MgCl2、および CaCl2) からなる水溶液中でポリエステルの微小液滴をインキュベートしました。

塩の取り込み後、ポリエステル微小液滴は、誘導結合プラズマ質量分析法 (ICP-MS) を利用した新しい分析手法にさらされ、微小液滴内の塩カチオン濃度が分析されました。 この分析は、共同利用連携助成金の一環として、ICP-MS が設置されている岡山大学惑星物質研究所キジ記念研究室の研究者らと共同で実施されました。 さらに、チームは、それぞれ独自の専門分野を持つ他のメンバーと協力して、ICP-MS をゼータ電位分析、光学密度、動的光散乱、顕微ラマンイメージングなどの他の分光学的および生物物理学的分析手法と組み合わせて詳細に研究しました。塩の取り込みが、それぞれ微小液滴の表面電位、液滴の濁度、サイズ、内部水分分布にどのような影響を与えるか。

結果は、微小液滴が塩カチオンを選択的に分配する能力を有し、微小液滴の異なる合体を引き起こすことを示した。これはおそらく、液滴表面に優先的に局在化した取り込まれた塩による表面電荷の中和の結果として、微小液滴間の静電反発力が減少したためであると考えられる。 今回の研究は、塩分摂取のわずかな変化でさえ原細胞の構造に大きな影響を与える可能性があり、それが淡水から海洋、超塩分を含んだ海底鹹水に至るまで、さまざまな水系で出現した原始系の化学の多様性を説明できる可能性があることを強調している。 「ポリエステル微液滴による塩の取り込みを分析するための新しく高感度な戦略の採用により、原始細胞の構造と機能に影響を及ぼした可能性がある既知の原始化学物質の範囲が広がりました。これにより、ポリエステル微液滴の関連性に関する将来の研究に新たな道が開かれました」地球の内外で生命が誕生したときのことです」とチェン博士は結論づけています。

小さなメソッド

10.1002/smtd.202300119

実験研究

適用できない

原始的な無膜ポリエステル微小液滴による差次的な塩分取込みを決定するための分光学的および生物物理学的方法

2023 年 5 月 18 日

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