조지아 기술 연구소 (Georgia Institute of Technology)의 화학자 인 니콜라스 허드 (Nicholas Hud)의 경우, 전환점은 2012 년 7 월에 두 명의 학생들이 작은 젤 튜브로 사무실로 몰려 갔을 때 발생했습니다. 레몬 젤-오의 덩어리처럼 보이는 내용은 초기 지구에서 이용할 수있는 화학 물질의 생명에서 생명처럼 보이는 것을 만들기 위해 20 년의 노력의 과일을 나타 냈습니다.
.일부 생화학 자에게 HUD는 리보 핵산에 대한 진화 전구체를 찾으려는 시도가 바보의 심부름처럼 보일 수 있습니다. RNA 세계 가설로 알려진 생명의 기원을 설명하는 지배적 이론은 리보 핵산을 최초의 생물학적 분자로 간주합니다. 매력은 분자의 이중 특성에서 나옵니다. DNA와는 달리, 모든 생물에 대한 청사진을 제공하는 분자 인 RNA는 정보 담체 및 효소, 촉매 반응으로 작용합니다. 즉, 분자는 다윈의 진화를위한 두 가지 필수 구성 요소 인 유전자 코드를 복사하고 전달할 가능성이 있음을 의미합니다.
만약 RNA가 실제로 최초의 생물학적 분자라면, 그것이 어떻게 형성되었는지를 발견하면 생명의 탄생을 밝힐 것입니다. RNA의 기본 빌딩 블록은 프리 바이오 틱 지구에서 이용 가능했지만 HUD를 포함한 화학자들은 거의 성공하지 못한 RNA 분자로 조립하는 데 몇 년을 보냈습니다. 약 15 년 전, HUD는 그 검색에 좌절하고 대안적인 아이디어를 탐구하기로 결정했습니다. 아마도 최초의 생물학적 분자는 RNA가 아니라 유사한 특성을 가지고 있으며 프리 바이오 틱 성분으로부터 더 쉽게 조립할 수있는 선구자 일 것입니다. 아마도 RNA는 DNA가 RNA에서 진화 한 것처럼이 고대 분자에서 진화했을 것입니다.
HUD의 팀은 10 년 전에이 아이디어를 명시 적으로 탐색하기 시작했습니다. 수십 개의 화학 물질 테스트 후 젤이 2012 년에 형성되었을 때, HUD 팀은 그것이 가능한 프로토 -RNA 세계의 화학에 상당한 발전을 이루었다는 것을 알았습니다. 수년간의 시도가 실패한 후, 놀랍도록 단순한 화학 레시피는 RNA의 구조와 화학 성분과 비슷한 길고 리본 같은 분자의 대기업을 생성했습니다.
HUD는 즉시 학생들에게 반응에 사용 된 프로토콜을 암송하여 말하면서 낙서하도록 요청했습니다. "나는 우리가 간단한 절차로 그들이 [최종 제품]을 어떻게 얻었는지 항상 기억하고 싶었다"고 그는 말했다. 2013 년 12 월, 결과는 미국 화학 학회지 저널에 발표되었습니다.
메릴랜드 대학교 볼티모어 카운티의 생물학자인 스티븐 프리 랜드 (Stephen Freeland)는“내 생각에, 이와 같은 것은 이전에 본 적이 없다”고 말했다. 그는 화학 물질이 선택한 화학 물질이 Proto-RNA의 정확한 구성 요소가 될 것이라고 확신하지는 않지만 HUD는“개념적 진보를 만들었다”며 말했다.
.HUD는 RNA의 대안 화학을 탐구 한 최초의 과학자가 아닙니다. 그러나 그의 반응의 견고성은 독특합니다. 분자는 서로를 찾는 것처럼 보이며 많은 화학적 동축없이 반응합니다. HUD와 다른 사람들은이 창조의 용이성이 초기 지구의 혼란스러운 화학 가마솥에서 일어난 반응에 필수적이라고 말합니다. 프리 랜드는“이 전에 사람들은 실제 상황에 집중하지 않았다”고 말했다. "우리는 상황이 무엇이든 간에도 여전히 일어날 것입니다."
.HUD의 팀은 이제 원시 수프와 더 유사한 분자의 지저분한 혼합에서 반응이 작동하는지 여부를 테스트하고 있습니다.
.HUD의 화학 및 일반적으로 프로토 -RNA의 개념은 여전히 장애물에 직면 해 있습니다. 그의 분자는 핵산과 유사한 반복 단위의 중합체 유사 구조를 보유한다. RNA 및 DNA에서, 이들 단위의 서열은 정보를 전달하는 데 필수적이며,이 분자는 생명 규범을 저장하고 전송할 수있게한다. 그러나 HUD의 분자는 RNA의 4 개에 비해 두 개의 화학 문자 만 사용하며 반복 단위는 쉽게 분리 될 수 있습니다. 그것은 삶의 필수 특성 인 RNA의 정보 내용이 없다는 것을 의미합니다.
전통적인 RNA 세계 가설의 지지자들은 HUD와 같은 RNA 전구체에서 RNA 자체로 이동하는 것은 여전히 RNA를 처음부터 RNA로 만드는 것만 큼 어려운 도전을 나타냅니다. 이 분자들이 생명의 기원을 시작하기에 충분히 성공했다면 지금 어디에 있습니까?
영국 케임브리지에있는 MRC 분자 생물학 실험실의 화학자 인 존 서덜랜드 (John Sutherland)는“프로토 -RNA 아이디어는 대답보다 더 많은 질문을 제기한다”고 말했다. "RNA가 화학적으로 조립하기가 너무 어렵다면 원시 생물학이 RNA를 어떻게 발명 할 수 있습니까?"
수프에서 구조로
현대의 세포에서, RNA 분자를 요리하는 것은 설탕 (리보스)을 4 개의 핵산 중 하나에 연결하는 다수의 효소를 포함하는 복잡한 과정이다. (유전자 코드를 구성하고, 구아닌, 아데닌, 우라실 및 시토신) 및 포스페이트 및 구조물의 경계를 제공하는 화학 문자. 또 다른 효소는이 세 가지 성분 각각의 반복 단위를 함께 RNA의 긴 사슬에 함께 연결합니다.
그러나 생명 전 지구에는 효소가 없었습니다. 그렇다면 첫 번째 RNA 분자는 어떻게 형성 될 수 있었습니까? RNA 세계 가설에 따르면, RNA는 지구 화학적 과정을 통해 자발적으로 함께 모였습니다. 삶의 기원을 연구하는 과학자들은 지난 40 년 동안 이런 일이 어떻게 일어 났는지 정확하게 알아 내고 초기 지구의 화학 성분을 분석하고 화학 반응을 고안하여 그들을 모으기 위해 노력했습니다. Hud는“RNA를 만드는 화학은 너무 어렵 기 때문에 분자가 모여이 복잡한 분자를 자발적으로 만드는 한 팟 반응을 가질 수 있다고 상상하기 어렵다”고 말했다.
과학자들은 효소없이 이러한 구성 요소 중 일부를 생산할 수있었습니다. 2009 년 서덜랜드와 협력자들은 처음으로 RNA의 기본 단위 중 하나를 처음부터 합성 할 수 있음을 처음으로 보여주었습니다. 그들은 RNA가 본질적으로 이런 식으로 형성 될 수 있다고 주장하지만, HUD와 Freeland는 반응에 필요한 정확한 화학적 조건과 단계가 프리 바이오 틱 지구의 혼란스러운 화학 가마솥에서 발생하지 않을 것이라고 말했다.
.대안적인 가설은 우리가 알고있는 RNA가 실질적인 화학적 및 생물학적 진화를 겪었다는 것입니다. 멕시코 시티의 멕시코 국립 자율 대학교 (National Autonomous University of Mexico University)의 생물 학자 인 안토니오 라즈 카노 (Antonio Lazcano)는“생명의 기원과 유전자 코드의 기원은 더 이상 동의어가 아닙니다. "생물학적 진화의 결과와 크게 설명되지 않은 화학 진화 단계가 될 유전자 코드의 상당 부분을 가질 수 있습니다."
.과학자들은 RNA가 1960 년대 최초의 생물학적 분자로 제안 된 이후 거의 대체 염기 또는 당을 가진 분자를 조사해 왔습니다. 그러나이 접근법은 설탕, 포스페이트 및 염기의 세 가지 구성 요소 각각에 수많은 잠재적 대체물이 있기 때문에 압도적 인 순열 세트를 만듭니다. Hud는“화학 공간이 엄청나게됩니다. "먼저 무엇이 왔는지 알아내는 것은 정말 큰 일입니다."
HUD의 팀은 기지로 시작하여 RNA와 DNA의 전통적인 기본 쌍과 같은 후보자를 찾고 있는데, 여기서 특정 기지는 잃어버린 연인처럼 서로를 찾습니다. RNA에서, 아데닌은 우라실과 구아닌과 시토신과 만 결합한다. 분자의 고유 한 용량이 정보를 저장할 수 있도록하는 것은이 페어링입니다. 각 분자는 차세대의 템플릿으로 작용하여 전임자의 일종의 미러 이미지를 만듭니다.
그러나 HUD는 또한 전통적인베이스와 달리 자발적으로 긴 폴리머로 조립할 수있는 기본 쌍을 원했습니다. Hud는“수천 개의 분자가 복잡한 혼합물을 가지고 있다면 화학은 가장 빠른 반응에 의존한다”고 말했다. “분자는 스스로 조직해야합니다.”
HUD 팀의 구성원은 RNA에 사용 된 4 개의 염기로 제한하기보다는 프리 바이오 틱 지구 또는 운석에 존재할 것으로 예상되는 것만 포함하여 약 100 개의 구조적으로 유사한 분자의 라이브러리를 고려했습니다. 프리 랜드는“우리가 이것에 대해 생각하지 않으면 우리는 어리석은 일입니다. 자연이 4 개를 골랐거나 자연 이이 네 가지를 골라 내기 전에 한 일이 무엇을했는지에 대해 어리 석습니다.
분자 레시피
RNA와 같은 결합 기반을 찾으려고 HUD 팀은 다양한 조건에서 화학 물질을 혼합하기 시작했습니다. 몇 년 후, 연구원들은 몇몇 유망한 후보자, 특히 두 분자, 트리 아미노 피리 미딘 (TAP) 및 시아누르 산 (CA)을 방문했습니다. 작년에, 미국 화학 학회지에 발표 된 논문에서 연구원들은 약간 수정 된 버전의 트리비노피리 미딘과 시아뇨 산이 물에 자체 조립되어 전통적인 기본 쌍과 유사한 것을 만들어 냈다는 것을 보여 주었다. 그러나, 기본 쌍의 기존 듀오, 아데닌 및 우라실 또는 시토신 및 구아닌이 아니라 분자는 육각형 또는 6 원 고리를 형성한다. 헥사 머는 서로 위에 쌓여 길고 중합체 같은 구조를 형성합니다. 그들은 복잡한 RNA와 같은 배열로 자발적으로 조립 된 화학적 페어링을 발견했다. Hud는“우리는 그것이 잘 작동하는 것에 놀랐습니다
HUD 팀은 RNA 어셈블리의 다음 문제를 해결하기 시작했습니다.베이스는 리보스 설탕에 어떻게 부착됩니까? 같은 저널에 출판 된 최신 논문에서 연구원들은 물에 혼합 될 때 탭과 리보스가 쉽게 결합하여 뉴 클레오 시드로 알려진 분자를 생성한다는 것을 보여주었습니다. (이 결합은 설탕과 전통적인 RNA 염기 사이에 형성하기 어려웠 기 때문에 발견은 특히 고무적이었습니다.) 연구원들이 를 추가했을 때 다른 염기, 캘리포니아 및 혼합물을 가열하고, 유전자의 길이에 대해 긴 중합체로 형성되었다. HUD 팀을 흥분시키는 젤을 만드는 것은이 중합체입니다.
연구에 관여하지 않은 콜롬비아 미주리 대학교의 생화학자인 프랭크 슈미트 (Frank Schmidt)는“오늘날 게놈을 함께 보유하고있는 물리적 힘을 프로토 롤드에서 재현 할 수 있다는 것을 보여주기 때문에 중요한 단계라고 생각한다. "그는 당신이 스타 물건 (원래 별이 생산 한 화학 물질)으로 시작하여 RNA의 기본 특성으로 무언가를 얻을 수 있음을 보여주었습니다."
.HUD 화학의 아름다움은 조립체에 효소 나 주형이 필요하지 않다는 것입니다. 분자는 스스로 모입니다.
그러나 HUD의 중합체와 RNA 사이에는 여전히 중요한 차이가 있습니다. 연구에 관여하지 않은 볼더에있는 콜로라도 대학의 분자 생물 학자 인 마이클 야 루스 (Michael Yarus)는“이 사랑스러운 속성은 우리 모두가 알고있는 화학에서 벗어나는 가격으로 나옵니다. 예를 들어, RNA와는 달리, 스택의 각 분자는 비공유 결합으로 알려진 비교적 약한 종류의 결합으로 연결됩니다. 분리하고 다시 연결할 수있는 자기 구슬 세트와 마찬가지로, 구조는 RNA보다 쉽게 분리 될 수 있으며, 이는 끈에 매듭을 짓는 비드와 더 유사합니다. 그 유연한 구조는 폴리머의 기초 시퀀스에 정보를 안정적으로 저장할 수있는 잠재력을 손상시켜 수명 코드를 구성합니다.
다른 큰 질문으로는 전구체 분자가 현 상태를 유지하는 것이 더 쉬울 수 있음을 고려할 때, 이러한 분자들이 현대 RNA로 진화했을 수있는 이유와 방법이 포함됩니다. 전통적인 RNA 세계의 지지자들은 이것을 거대한 장애물로 본다. 그러나 HUD는 동의하지 않는다. CA는 우라실로 전환되어 몇 가지 화학적 변화만으로 구아닌과 아데닌을 활용할 수 있다고 그는 말했다. 그의 팀은 현재 쌍을 형성하고 리보스 설탕으로 자체 조립 할 수있는 다른 후보 기지를 탐색하고 있습니다. 연구원들은 또한 RNA의 다른 성분, 설탕 및 포스 페이트에 대한 대안과 RNA의 매듭을 모방하는 방식으로 뉴 클레오 시드를 함께 꿰매는 방법을 찾고 있습니다. 최종 결과는 RNA와 상당히 다를 수 있지만 RNA는 우수한 시스템이기 때문에 자연 선택은 생성을 선호하고 선구자를 멸종시킬 것이라고 주장합니다.
Proto-RNA 세계를 확신하지 못하는 사람들조차도 가능성을 탐구 할 가치가 있다고 말합니다. Yarus는“실제로 일어난 일을 찾기 위해 많은 경로를 찾는 것이 중요합니다.
다른 사람들은 더 넓은 화학적 대안 세트를보고 있습니다. 2013 년 11 월에 발표 된 논문에서, 도쿄의 Earth-Life Science Institute의 화학자 인 Freeland와 공동 작업자 Jim Cleaves는 계산 방법을 사용하여 단백질의 빌딩 블록 인 대체 아미노산을 조사했습니다. 팀은 RNA의 빌딩 블록에 대해서도 동일하게 할 계획입니다. 프리 랜드는“HUD의 목록은 빙산의 일각 일뿐입니다. "진지하게 고려해야 할 수만 건의 구조가있을 수 있습니다."
