Vesicle-surface-templated catalytic polymers drive differential growth in synthetic minimal cell variants
本研究は、異なるテンプレート小胞、触媒ポリマー、および両親媒体を体系的に組み合わせることによって、研究者が組成依存的な成長応答を示す、多次元的な適応度地形をマッピングする合成最小細胞変異体を作成し、それによって進化可能で自己複製を行う人工細胞への物理化学的な経路を確立したことを示している。
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生命は、その目も眩むような複雑さの中にありながら、一つの単純な問いから始まります。それは、「最初の生命体はいかにして、非生物的な化学物質のスープから誕生したのか？」という問いです。生命の起源を研究する科学者たちは、単に最初の細胞を探しているのではなく、分子の集まりが生命システムのように振る舞い始めた「まさにその瞬間」を探しています。彼らは、化学物質のグループがいかにして成長を開始し、自らを複製し、そして最終的に生存のために互いに競い合うようになるのかを理解しようとしています。これらの答えを見出すために、研究者たちは「合成最小細胞」を構築しています。これらは生物ではなく、脂肪分子によって作られた小さな泡のような、人工的な単純な区画です。現代の生物学に見られる複雑な機構を削ぎ落とすことで、科学者たちは、どの基本的な物理法則があれば、泡が成長し、分裂し、そしておそらく進化することさえできるのかをテストすることができるのです。目標は、細菌やヒトに見られる複雑な遺伝子を必要とせず、単純な物理学と化学のみから、生命のような振る舞いが出現し得るかどうかを確認することです。
最近の研究において、日本とスイスの研究チームは、これらの合成泡が成長するだけでなく、生存の成否を決定する明確な「個性」を発達させることができるシステムを作り出すことで、この探求における重要な一歩を踏み出しました。チームは、2種類の異なる脂肪分子からなる小さな泡からスタートしました。次に、彼らはこれらの泡の表面を、化学反応を促進する触媒、あるいは助け手として機能する長い分子の鎖である特殊なポリマーでコーティングしました。研究者たちは、アニリンから作られたものとピロールから作られたものの2種類のポリマーを使用しました。彼らは、これら2種類の泡と2種類のポリマーを組み合わせることで、8つの異なるバージョンの合成細胞を作成しました。
実験では、これらの合成細胞に「餌」となる脂肪分子を供給しました。研究者たちは、これら8つのバリアントがどのように反応するかを注意深く観察しました。結果は驚くべきものでした。泡はすべて同じ速度や方法で成長したわけではありませんでした。特定の種類の脂肪分子が与えられると、急速かつ着実に成長するバリアントもあれば、成長が遅いものもありました。全く成長しないものもあれば、まるで溶けているかのようにサイズを失って縮小してしまうものもありました。決定的なことに、その結果は、泡の元の組成と表面にあるポリマーの特定の組み合わせに完全に依存していました。ある種類の餌を与えられたときに巨大に成長した泡が、どのポリマーが付着しているかによって、別の種類の餌を与えられたときには縮小してしまうこともありました。
この振る舞いはランダムなものではありませんでした。研究者たちは、その成長が、私たちの体内にある酵素の働きと似た予測可能なパターンに従っていることを見出しました。適切な餌が利用可能になると、泡の表面にあるポリマーが「鍵」として機能し、新しい分子を吸収して膨張する能力を解き放つのです。しかし、この鍵は特定の種類の餌に対してのみ機能しました。研究は、ポリマーが単にどんな脂肪分子をも引き寄せるのではなく、特定のものを認識していることを示しました。これを証明するために、チームはアニリンやピロールから作られていない、他の一般的な正電荷を持つポリマーを使用して実験を行いました。これらの他のポリマーは、同様に正電荷を持っていたにもかかわらず、泡を成長させることはできませんでした。これにより、成長が単なる電気的な引力の結果ではなく、ポリマーと餌分子との間の非常に具体的な「化学的な握手」を必要としていることが確認されました。
研究者たちはまた、泡の成長の仕方が使用されるポリマーの種類に依存していることも観察しました。泡がアニリン製のポリマーでコーティングされている場合、それらは均一に成長し、グループ全体で形とサイズが一貫していました。対照的に、ピロール製のポリマーでコーティングされた泡は、より混沌とした形で成長し、一部が他よりもはるかに大きくなるなど、サイズの不揃いな混合状態を生み出しました。このことは、ポリマーの具体的な化学的性質が、細胞がどれほど速く成長するかだけでなく、その成長がいかに秩序立っているかを決定していることを示唆しています。
おそらく最も重要なことに、この研究は、これら合成細胞の「唯一の最善のバージョン」は存在しないということを明らかにしました。あるバリアントの成功は、完全に環境に依存していました。ある種類の餌が豊富にある状況で最も速く成長したバリアントが、その餌が乏しい場合や異なる種類の餌が提供された場合には、最悪のパフォーマンスを示すこともあります。研究者たちはこれを「適応度地形（フィットネス・ランドスケープ）」と表現しており、そこでは、あるバリアントが他のバリアントに対して持つ優位性が、利用可能な資源に基づいて変化します。これは進化のための根本的な要件です。自然選択が機能するためには、異なるバージョンの生物が、周囲の環境に応じて異なる生存確率を持たなければならないからです。
細胞のアイデンティティ（泡とポリマーの組み合わせ）が、その成長能力と結びついたシステムを作り出すことで、研究者たちは進化の初期段階を模倣するプラットフォームを構築しました。彼らは、これらの単純な非生物的システムが、親からその特性を受け継ぎ、資源を奪い合い、環境に対して異なる反応を示すことができることを示しました。これらは生きた細胞ではありませんが、単純な化学から、最終的に生命の多様性へとつながる「差異のある成長」への明確な経路を示しています。この研究は、区画の構造がどのようにエネルギーを集めるかを決定するシステムがあり、もしその構造が複製可能であれば、純粋に物理学と化学の法則によって、最も成功したバージョンが生き残り、増殖していくプロセスへの舞台が整うことを示唆しています。
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