RNA and proteins joined up at the origins of Life: Persistence is the point

我々が知る生命は、二つの非常に異なる種類の分子によるパートナーシップの上に築かれています。一方のタイプである核酸は、生命のライブラリーとして機能し、他のあらゆるものを構築するための指示を蓄えます。もう一方のタイプであるタンパク質は、労働力として機能し、細胞を生かし、成長させるための化学的タスクを実行します。何十年もの間、科学者たちはこのパートナーシップがいかにして始まったのかという謎に直面してきました。RNAワールド仮説として知られる有力な説は、生命はこれら一方のプレイヤー、すなわち情報を蓄積することも化学的な仕事を行うこともできるRNAのみから始まったことを示唆しています。しかし、この見解は、単一の分子がいかにしてこれら両方の役割を完璧にこなして、生き残り進化する系譜を開始できたのかを説明することに苦慮しています。もう一つの可能性は、タンパク質が先に存在したというものですが、それらは自身を確実に複製する能力を欠いています。中心となる問いは依然として残っています。これら二つの異なるシステムがいかにして力を合わせ、最初の生命細胞を作り上げたのかという問いです。

ストーニーブルック大学の二人の研究者、モハメド・スワイレムとケン・A・ディルは、この起源の物語について新しい考え方を提案しました。どちらの分子が先にあったのかを問うのではなく、最初からどのようにして両者が互いに生存を助け合えたのかを彼らは問うています。彼らの研究は、鍵となったのはどちらか一方の分子の完璧さではなく、一方の存在によって他方を起動させる（ブートストラップする）ことを可能にした分業であったことを示唆しています。両者の強みを組み合わせることで、個々の部分がいかに不完全であっても、生命は誕生し得たと彼らは主張しています。

彼らの論理を理解するには、進化が試行錯誤のプロセスとしてどのように機能するかを見ることが役立ちます。単純で自己複製を行う分子の集団を想像してみてください。時折、コピーの過程でミスが発生し、新しいバージョンが生まれます。もしこの新しいバージョンが、より生存したり複製を行ったりすることに長けていれば、それはより一般的になり、弱いバージョンは消滅します。これが自然選択のエンジンです。しかし、このエンジンが作動するためには、二つの異なることが起きている必要があります。すなわち、ランダムな変化を生み出す方法（試行）と、どの変化がより優れているかをテストする方法（誤差）です。研究者たちは、私たちの細胞内にあるこれら二種類の分子が、これらの別々の仕事に対して完璧に適していると主張しています。

DNAやRNAのような核酸は、硬く安定しています。その構造により、周囲の影響を簡単に受けることなく情報を蓄えることができます。それらは設計図として、情報を変えることなく運ぶことに優れています。しかし、化学的な仕事を行うことはあまり得意ではありません。一方で、タンパク質は柔軟で多様です。それらは複雑な形に折り畳まれ、反応を加速させたり構造物を構築したりする道具として機能します。しかし、タンパク質は情報を蓄えることには不向きであり、読み取ったり正確にコピーしたりすることが困難です。研究者の見解では、進化には「設計図」が偏りなくランダムに変更される一方で、「道具」がシステムの成長を助ける能力をテストできるシステムが必要でした。

著者らは、これら二つの分子が相互作用するときに何が起こるかをテストするために、コンピュータモデルを構築しました。彼らは、どちらの分子もその役割においてあまり優れていないシナリオから開始しました。核酸は自身の複製が正確ではなく、タンパク質は複製を助けることがあまり上手くいきませんでした。これらの分子が単独で行動する世界では、それらは単に衰退していくことになります。モデルによれば、助けがなければ、これらの分子の集団は分解または希釈される割合を克服できず、縮小して消滅してしまうことが示されました。

しかし、研究者たちがこれら二つの分子を協力させたとき、結果は劇的に変化しました。彼らのモデルでは、タンパク質が核酸の複製をより効果的に助け、一方で核酸がタンパク質を作るための指示を提供しました。これにより、フィードバックループが形成されました。たとえ複製が不正確で、タンパク質が中程度にしか役に立たないとしても、その組み合わせによってシステムは成長することができました。研究者たちは、二つの分子が互いを救済できることを見出したのです。複製があまり上手くいかない核酸も、それを助けるのが非常に優れたタンパク質とペアになれば生存できます。逆に、効率の良くないタンパク質も、非常に正確な核酸とペアになれば存続できます。

この関係は、研究者が「パレート・フロント」と呼ぶ概念であり、一つの利点のために別の利点をトレードオフできる状況を説明するものです。シミュレーションにおいて、彼らは分子が死滅する世界と、繁栄する世界の間の明確な境界を見出しました。この線の片側では、分子は生存するには弱すぎます。もう一方の側では、彼らは協力的なユニットを形成して成長し、持続します。最も驚くべき発見は、この移行には両方の分子が完璧である必要はないということです。必要なのは、共に機能する際に「十分に優れている」ことだけです。モデルは、核酸が劣悪でタンパク質が強力なシステムが、核酸が強力でタンパク質が劣悪なシステムと同じくらいよく生存できることを示しており、それらが連結されている限りにおいてです。

研究者たちはまた、これらのシステムがどの程度持続できるかについても調査しました。彼らは、単独で機能する単一の分子は、寿命が非常に短いことを見出しました。それは急速に劣化し、正確に自身を複製する方法がなければ、その系譜はほぼ即座に終わってしまいます。しかし、これら二つの分子が力を合わせると、システム全体がはるかに長い寿命を獲得します。この協力的なユニットの系譜は、単一の分子が単独で生存できる期間よりもはるかに長く、長く存続することができます。この持続性こそが、研究者が「生命の真の始まり」として特定しているもの、すなわち、短命な化学反応から、進化可能な長命な系譜への転換です。

このモデルは、生命はすべてを行うことができる単一の完璧な分子から始まらなければならないという考えに挑戦しています。むしろ、生命はパートナーシップから始まったことを示唆しています。研究者たちは、生命への移行は完璧さへの突然の跳躍ではなく、二つの不完全なシステムが互いに依存することを学んだ漸進的なプロセスであったと主張しています。タンパク質は機能的な適応度を提供してシステムの成長と適応を助け、核酸は遺伝性を確保して成功した組み合わせが受け継がれるようにしました。

著者らは、自分たちの研究はシミュレーションであり、これらのダイナクスがどのように機能し得るかについての数学的な探求であることを注意深く述べています。彼らは、生命の始まりとなった正確な歴史的事実を発見したと主張しているのではなく、生命の起源をより起こりやすくする、妥当な物理的メカニズムを示したのです。彼らのモデルは、「アイグンのパラドックス」――すなわち、優れたタンパク質を作るには優れた核酸が必要であり、優れた核酸を作るには優れたタンパク質が必要であるという、一種のキャッチ二十二（詰み）の状態――が、協力によって解決され得ることを示しています。負担を分担することで、これら二つの分子は、単独では成功を阻むであろう限界を克服できるのです。

結局のところ、この論文は静かではあるが強力な洞察を提供しています。生命の起源は、単一の奇跡的な分子を見つけることではなかったのかもしれません。それは、二つの異なる種類の分子が結びつく方法を見つけることだったのかもしれません。一方は記憶を提供し、もう一方は筋肉を提供しました。共にすることで、彼らは個々のパーツの総和よりも優れたシステムを作り上げ、最初の系譜が、今日私たちが目にする複雑な生命へと進化するのに十分な期間、存続することを可能にしたのです。研究者たちは、一方が計画を保存し、もう一方が機械を構築するというこの分業こそが、現代の生命の特徴であるだけでなく、生命を可能にした基礎そのものであると結論付けています。