30 년 동안 Gerald Joyce는 삶을 창조하려고 노력해 왔습니다. 1980 년대 대학원생으로서, 그는 유전자 정보를 저장하고 전송할 수있는 화학 사촌에서 DNA에 대한 첫 번째 RNA 분자가 더 간단한 단위로 스스로를 모았을 수있는 방법을 연구했습니다.
불행히도 그는 문제가있었습니다. 화학적 수준에서 깊은 편견은 모든 생물학에 스며 들어 있습니다. DNA 및 RNA와 같은 다른 핵산을 구성하는 분자는 내재 된“손잡이”를 갖는다. 이 분자는 두 가지 거울 이미지 형태로 존재할 수 있지만 오른 손잡이 버전 만 살아있는 유기체에서 발견됩니다. 손잡이는 살아있는 존재들에게 필수 기능을 제공합니다. 우리 세포를 주도하는 많은 화학 반응은 올바른 손의 분자와 만 작동합니다. 그러나 생명의 생물학적 빌딩 블록은 그러한 압도적 인 편견을 나타내지 않았습니다. 일부는 왼손잡이 였고 일부는 오른쪽이었습니다. 그래서 오른 손잡이 RNA는 어떻게 분자의 혼합에서 나왔습니까?
Joyce는 다른 사람들이 그 앞에 한 것처럼 오른 손잡이 빌딩 블록에서 RNA를 만들 수있었습니다. 그러나 그가 왼손잡이 분자를 추가하면서 초기 지구의 조건을 모방했을 때 모든 것이 중단되었습니다. Joyce는“우리 논문은 같은 장소에 동시에 두 가지 양식을 가지고 있다면 시작할 수 없다고 말했다.
자연 에 출판 된 그의 연구 결과 1984 년에 생명이 나오기 위해서는 먼저 왼손잡이와 오른 손잡이 분자 사이의 대칭을 깨뜨려야한다고 제안했다. 그 이후로 과학자들은 생물학이 아닌 물리학과 화학의 프리 바이오 틱 세계에서 생명의 손길의 기원에 대한 그들의 검색에 크게 집중했습니다.
.30 년 후, Joyce의 최신 연구에 따르면 아마도 인생은 결국 처음으로 나왔을 것입니다. 캘리포니아 주 라호야 (La Jolla)에있는 Scripps Research Institute의 Joyce와 박사후 연구원 인 Jonathan Sczepanski는 RNA 효소 (RNA를 복사하는 물질)를 만들었습니다. 왼손잡이 및 오른 손잡이 빌딩 블록의 수프에서 기능 할 수있는 최초의 생물학적 분자 중 일부가 어떻게 대칭적인 세계에서 진화했는지에 대한 잠재적 메커니즘을 제공했습니다. Nature 의 11 월 20 일호에 발표 된 새로운 실험 , 인생이 어떻게 처음 일어 났는지에 대한 토론을 다시 활성화하고 있습니다. 이 연구에 참여하지 않은 오리건 주 포틀랜드 주립 대학의 생화학자인 Niles Lehman은“그들은 실제로 가능한 새로운 도로 영역을 열었습니다.
더 흥미로운 Joyce와 Sczepanski의 효소는 다른 RNA- 인구의 분자와 다르게 작동하며, 이는 삶의 시작에 중대한 영향을 미칠 수있는 발견입니다. 효소는 현재까지 개발 된 다른 RNA 기반 효소보다 훨씬 효율적이고 유연하며 Joyce의 궁극적 인 목표의 열쇠를 제공 할 수 있습니다.
거울의 균열
유명한 19 세기 프랑스 화학자 인 루이스 파스퇴르 (Louis Pasteur)는 화학 손잡이 또는“키랄성”을 묘사 한 최초의 사람이었습니다. 그는 와인의 드레그에서 파생 된 결정이 특정 방향으로 비틀어 진 빛을 비틀 었다는 사실에 당황했지만 실험실에서 동일한 결정은 그렇지 않았다. 그는 현미경으로 결정을 조사한 결과 합성 화학 물질이 두 가지 미러 이미지 형태로 나와 편광 효과를 취소한다는 것을 발견했습니다. 와인에서 파생 된 크리스탈에는 단 하나만있었습니다.
과학자들은 나중에이 편견이 살아있는 세계 전체를 포함한다는 것을 발견했습니다. 합성 화학 공정은 왼손잡이와 오른 손잡이 분자를 생성합니다. 그러나 자연이 분자를 만들 때, 제품은 왼쪽 또는 오른 손잡이입니다. 예를 들어, 단백질을 왼쪽으로 비틀기 위해 사용되는 모든 아미노산.
실제로 키랄성은 생화학의 필수 요소입니다. Scripps의 화학 엔지니어이자 Joyce 's의 동료 인 Donna Blackmond는“이것은 분자 인식의 한 형태를 제공합니다. 분자의 키랄성은 분자가 세포의 다른 성분과 상호 작용하는 방식에 영향을 미칩니다. 분자 잠금 장치는 올바른 손의 키로 만 열 수 있습니다.
일부 과학자들은 하늘을 보고이 생물학적 편견이 어떻게 처음 발생했는지 설명합니다. 일부 운석은 단백질의 빌딩 블록 인 왼손잡이 아미노산의 약간 우세한 것으로 나타 났으며, 이는 외부 공간에서 영향을 미쳤다는 것을 시사합니다. 대안적인 우주 원산지 이야기는 초신성에서 나오는 원형 편광 조명이 편견을 유발했다고 제안합니다. 또한 방사성 붕괴는 왼손잡이 일 가능성이 약간 더 높은 전자를 생산합니다. 지구의 표면에 비가 내리는 이러한 전자는 초기 화학이 바뀌었을 것입니다.
그러나 대부분의 생물 학자와 화학자들은 이러한 천체 물리학 이론에 회의적입니다. 그들이 만든 편견은 너무 분만에 있습니다. Dartmouth College의 이론적 물리학자인 Marcelo Gleiser는“이론은 삶과 비 생명 사이의 아름다운 연합”을 만듭니다. "그러나 문제는 이러한 상호 작용이 매우 약하고 단거리라는 것입니다." Joyce에 따르면, 이러한 물리적 힘의 효과는 화학 반응의 소음에서 손실 될 것입니다. "우주에서 그런 작은 비대칭은 바늘을 움직이기에 충분하지 않다"고 그는 말했다.
생화학 자들은 대안 제안을 선호하는 경향이 있었으며, 프리 바이오 틱 화학의 기회가 초기 불균형을 유발했다는 경향이있다. 아마도 얕은 수영장 또는 다른 프리 바이오 틱 시험관에 약간의 과도한 오른 손잡이 뉴클레오티드가 갇히고 증폭되었을 것입니다. 결국 편견은 팁 포인트에 도달하여 화학 거울을 깨고 생명의 출현 단계를 설정했습니다. Blackmond는 순수한 물리적, 화학적 수단을 사용하여 작은 비대칭을 거의 완전한 것으로 바꾸는 방법을 보여주는 광범위한 작업을 수행했습니다.
양손을 흔들 었습니다
Joyce가 30 년 전에이 분야에 들어 왔을 때, 연구원들은 이미 천체 물리학 이론 중 일부를 테스트하려고했습니다. 그러나 조이스는 회의적이었다. "아마도 기회가 될 때 보편적 인 설명을 찾기 위해 왜 그렇게 열심히 노력하고 있습니까?" 그는 말했다.
동시에 과학자들은 생명의 빌딩 블록 (아미노산과 핵산)이 단백질, DNA 및 RNA와 같은보다 복잡한 분자로 자발적으로 형성 될 수있는 방법을 알아 내려고 노력했습니다. Joyce는이 조립 과정이 거울에 균열을 일으킬 수 있다고 생각했습니다. 원시 수프에서 오른 손잡이 빌딩 블록을 선택적으로 뽑은 반응은 혼합 상자에서 빨간색 또는 파란색 레고 만 선택하는 기계와 마찬가지로 오른 손잡이 분자 만 빠르게 만들기 시작합니다.
.이러한 과정은 삶의 기원에서 두 가지 문제를 동시에 해결할 것입니다. 거울을 깨는 동안 복잡한 생물학적 분자를 만들 것입니다. 1980 년대 조이스의 실험은 그 아이디어를 테스트하기 시작했지만, 그 실패는 오른 손잡이 RNA 분자가 원시 수프의 성분에서 어떻게 형성 될 수 있는지 의문을 제기했다. Joyce는“혼란 스러웠습니다. “왼손잡이 빌딩 블록은 성장하는 체인을 독이합니다.”
결과는 초기 "RNA 세계"이론에 특히 문제가되었으며, 생명은 자체를 복제 할 수있는 RNA 분자로 시작되었다고 제안했다. RNA는 DNA와 단백질의 특성을 공유하기 때문에 첫 번째 생물학적 분자에 가장 적합한 후보입니다. DNA와 마찬가지로, 그것은 일련의 염기로 정보를 전달합니다. 그리고 효소와 마찬가지로 화학 반응을 촉매 할 수 있습니다. (RNA 효소는 리보 자임으로 알려져 있습니다.)
그러나 RNA를 복사하는 리보 자임이 화학적으로 대칭적인 세계에서 기능 할 수 없다면, RNA 기반의 삶이 어떻게 나타날 수 있습니까? 캐나다 Simon Fraser University의 생화학자인 Peter Unau는“이것은 일종의 쇼 토퍼입니다. Joyce의 1984 년 실험 이후 수십 년 동안 과학자들은 물리 및 화학 이론에서 키랄성이없는 RNA 전구체에 이르기까지 문제에 대한 무수한 방법을 제안했습니다.
알려진 한계를 감안할 때 Joyce는 오른손 블록 만있을 때 RNA를 복사 할 수있는 간단한 리보 자임을 만드는 데 집중하기 시작했습니다. 그의 그룹은 약간의 성공을 거두었지만 RNA 세계 이론의 요구 사항을 충족시키는 것은 없었습니다.
그래서 작년에 Joyce와 Sczepanski는 처음부터 시작하기로 결정했습니다. 그들은 무작위로 오른 손잡이 RNA 분자 풀을 풀고 왼손잡이 빌딩 블록과 함께 시험관에 반응하게했다. 그들은 RNA 분자의 무작위 풀 안에서 빌딩 블록을 함께 묶을 수있는 리보 자임이기를 바랐다. 그런 다음 반대 손의 RNA를 복사 할 수있는 최고의 후보자를 분리하여 복제하고 새 풀을 동일한 시험을 계속해서 반복했습니다.
.몇 달 만에 놀랍도록 효과적인 리보 자임이있었습니다. 오른 손잡이 버전은 왼손잡이 RNA 템플릿에 바인딩되며 왼손잡이 사본을 생성합니다. 그런 다음 왼손잡이 사본은 계속해서 오른 손잡이 버전을 생성 할 수 있습니다. Tempe의 Arizona State University의 생화학자인 John Chaput는“그들이 한 일이 놀랍습니다. "그것은 실제로 키랄성의 기원에 대한 의문의 핵심에 도달하고 일을 앞으로 나아갈 수있는 확실한 증거를 제공합니다."
.아마도 더 흥미로운 것은 효소가 얼마나 잘 작동하는지입니다. 지금까지 생성 된 다른 리보 자임은 너무 까다로워서 생명을 낳았습니다. 그들은 감자를 키우지 만 당근이나 완두콩이 아닌 토양과 같은 특정 RNA 서열 만 복제합니다. 그러나 Joyce의 리보 자임은 자체를 포함하여 다양한 서열을 생성 할 수 있습니다. 그리고 여전히 나아지고 있습니다. 이 논문의 리보 자임은 단 16 라운드의 진화 후에 나타 났으며, 이런 종류의 실험을위한 충격적으로 짧은 단기입니다. 이러한 결과는 아직 출판되지 않았지만 추가 진화의 라운드는 이미 그 능력을 높였다. Lehman은“아름다운 것은 이것이 여전히 젊은 효소라는 것입니다. "개선의 여지가 많이 있습니다."
새로운 리보 자임이 잘 작동하는 이유는 비정상적인 방식에 있습니다. 규칙적인 리보 자임은 지퍼의 양면이 함께 모이는 것처럼 일련의 글자에 따라 목표에 결합합니다. 때로는 너무 잘 작동하고 대상이 붙어 있습니다. 이런 종류의 결합은 같은 손의 두 분자와 함께 작동합니다. 이는 Joyce의 리보 자임이 이런 식으로 결합 할 수 없다는 것을 의미합니다.
.대신, 그것은 분자의 형태에 따라 서열이 아니라 훨씬 더 유연한 것으로 밝혀진 접근법입니다. Lehman은“그들은 완전히 새로운 것을 발견했습니다. "우리가 모르는 것이 많이 있다는 것을 보여줄 것입니다."
과학자들은 이제 키랄 세계가 필요하지 않은 효소를 가지고 있습니다. Joyce 자신을 포함한 연구원들은 여전히 그 의미를 이해하려고 노력하고 있습니다. 이 발견은 인생이 처음 진화 한 후 키랄성이 등장했을 가능성을 열어줍니다. Blackmond는“아마도 우리는 대칭을 깨뜨릴 필요가 없었을 것입니다
하버드 대학교의 생화학 자이자 Joyce의 공동 작업자 중 한 명인 Jack Szostak은 특히 리보 자임이 이전 버전보다 훨씬 유연하기 때문에 그 발견에 흥분합니다. 그러나 그는“나는 이런 식으로 인생이 시작된다는 것에 회의적이다”고 말했다. Szostak 은이 시나리오가 왼손잡이와 오른 손잡이 RNA 효소가 동시에 같은 장소에서 등장해야한다고 주장합니다.
.오른 손잡이 통치
삶의 기원 이후 언젠가 키랄성이 나왔다면, 오른 손잡이 RNA가 왜 이겼습니까? 왼손잡이 및 오른 손잡이 분자는 화학적으로 동일한 특성을 가지고 있으므로 승리 할 분명한 이유는 없습니다.
David Kaplan, Petr Stepanek 및 Quanta 잡지의 Ryan Griffin; Kai Engel의 음악
비디오 : David Kaplan은 지구상의 생명의 기원에 대한 주요 이론을 탐구합니다.
조이스와 다른 사람들은 단순히 기회라고 의심합니다. 혼합 된 핵산 풀을 왼쪽 및 오른 손잡이로 변형시킬 수있는 리보 자임이 초기 지구에 나타났습니다. 그것은 두 개의 뚜렷한 그룹, 좌익과 권리를 생산할 것이며, 이는 경쟁 인구처럼 기능했을 수 있습니다. Joyce는“오른손이 유용한 돌연변이를 발견하고 게임과 도망 치면 거울의 다른 쪽이 어두워 질 수 있습니다. 예를 들어, RNA의 오른 손잡이 그룹은 단백질 생산, 결국 왼손잡이 그룹을 추월하고 오늘날 우리가 보는 편견을 생성하는 등의 경쟁 우위를 개발했을 수 있습니다.
.한 손이 우수한지를 진정으로 결정하는 방법은 한 가지뿐입니다. 각 방향으로 비틀어지는 생명 형태를 구축하고 나란히 평가하십시오. 하버드의 조지 교회와 공동 작업자들은 바로 그 일을 목표로하고 있습니다. 모든 세포 부분의 거울 버전을 만들 수 있다면 합성 세포를 구성하고 다른 동일한 왼손잡이 및 오른 손잡이의 삶을 비교할 수 있습니다.
미러 이미지 RNA를 만들려면 교회와 그의 공동 작업자는 먼저 거울 빌딩 블록을 함께 스티칭 할 수있는 미러 효소를 만들어야합니다. 유타 대학교의 Michael Kay 팀은 그러한 효소 하나의 일반 버전을 화학적으로 합성하는 방법을 거의 개발하지 못했습니다. 일단 완료되면, 두 팀은 동일한 접근법을 적용하여 미러 RNA를 조립할 수있는 미러 효소를 만들 것입니다. 교회와 다른 사람들은 또한 거울 생활을 감지하는 도구를 구축하고 있으며, 이는 다른 행성에서 생명의 징후를 검색 할 때 중요 할 수 있습니다.
Joyce는 처음부터 인생을 만드는 데 여전히 관심이 있습니다. 키랄성 문제를 포함한 다른 모든 것은 그 큰 상을 향한 장애물 일 뿐이라고 그는 말했다.
새로운 리보 자임은 아직 최고의 샷을 제공 할 수 있습니다. 그것은 가장 기본적인 삶의 속성, 즉 복제하고 진화하는 능력을 거의 충족시킵니다. Chaput은“그들은 거울 이미지가 스스로 복사 할 수 있다는 것을 보여주기 위해 갔다”고 말했다. "그것은 복제에 매우 가깝습니다." 다음 단계는 반복적으로 그렇게하는 것입니다. "거울을보고 사본을 만들고 거울에 넣고 거울에있는 사람의 사본을 만들면 복제가 있습니다."라고 Chaput은 말했습니다.
.복사 중 실수로 인해 분자가 새로운 특성을 진화시킬 수 있기 때문에 반복 과정은 진화의 가능성을 열어줍니다. Unau는“이 모든 것에 대한 진정한 핵심은 실험실에서 자체적으로 진화 할 수있는 시스템을 설정하고있다”고 말했다. “제리가 가까워요.”
편집자 주 :Donna Blackmond, Gerald Joyce 및 Jack Szostak은 Simons Foundation으로부터 자금을받습니다. Simons 수사관 .
