Computational modeling of an RNA-peptide world

生命の始まりの物語は、科学における最も深い謎の一つであり、最初の生命体がどのようにして非生物的な化学物質から出現したのかを問うパズルである。数十年にわたり、有力な説は「RNAワールド」であった。この仮説は、細胞がDNAやタンパク質を持つ前に、RNAと呼ばれるより単純な分子がすべての重要な役割を担っていたことを示唆している。RNAは、設計図のように情報を保存することもでき、また機械のように化学反応を加速させるツールとしても機能する、多才な化学物質である。もし生命がRNAから始まったのであれば、それはこれらの分子が、タンパク質の助けを借りることなく、自らを複製し複雑な構造を構築した世界であったはずだ。しかし、この考えには障害がある。科学者たちは、いくつかのタスクを実行できるRNA分子を発見しているものの、それらは現代の細胞を動かしているタンパク質酵素と比較すると、しばしば動作が遅く、不器用である。さらに、論理的な矛盾がある。RNAの指示をタンパク質へと変換する複雑なシステムは、一度にすべて進化させるにはあまりにも精緻すぎるように思われる一方で、RNAの機構を機能させるためにはタンパク質が必要とされるのである。

この結び目を解くために、国立衛生研究所の研究チームは別の可能性に目を向けた。彼らは、生命の最初期段階は単なる「RNAワールド」ではなく、「RNA・ペプチド・ワールド」であったのではないかと考えた。ペプチドとは、タンパク質の構成要素であるアミノ酸の短い鎖のことである。これらの鎖は、生命が存在するずっと前の、初期の地球を模した条件下で自然発生的に形成され得る。研究者たちは、次のような単純な問いを立てた。もし、これらのランダムで短いペプチドが、進化するRNA分子と最初期から相互作用していたとしたらどうだろうか。完璧なタンパク質製造マシンが進化するのを待つのではなく、おそらくこれらの微小なペプチドが「助手」として機能し、RNA構造を安定させ、その進化を加速させたのではないか。これを検証するため、科学者たちはコンピュータ・シミュレーション、すなわち進化を早送りで観察できるデジタル実験室を構築し、RNA分子が単独の場合と、ランダムなペプチドのスープに囲まれている場合で、時間の経過とともにどのように変化するかを観察した。

研究者たちは、AMES（Atomistic Molecular Evolution Simulator：原子レベル分子進化シミュレーター）と呼ばれる強力な新しいツールを使用した。このプログラムは、単に分子の形状を推測するのではなく、高度な人工知能を用いて分子がどのように折り畳まれ、相互作用するかを予測しながら、原子一つひとつを組み立てて構築していくものである。シミュレーションでは、約18ユニットの長さを持つ100本のランダムなRNA鎖から開始した。そして、これらの鎖が変異し、最も安定した構造を形成するものを選別しながら、1,000世代にわたって進化させた。彼らは2種類の実験を行った。第一に、RNA分子が単独で進化し、互いにのみ競合する場合である。第二に、3個から5個のアミノ酸からなる、絶えず変化する短いペプチドのプールが存在する中でRNA分子を進化させる場合である。決定的なのは、ペプチドの配列は固定されておらず、特定のタンパク質がまだ作られていない混沌とした原始的な環境を模して、各ステップでランスペンジ（無作為化）されたことである。

結果は驚くべきものであった。RNA分子が単独で進化した場合、安定した形状を見つけるまでに長い時間を要した。信頼できる構造に落ち着くまでには平均で438世代を要し、その際、形成されたのは主にヘアピン構造のような単純で予測可能な形状であった。ヘアピンとはRNA鎖が自ら折り返した基本的なループであるが、それほど複雑なものではない。しかし、ランダムなペプチドを導入すると、進化のペースは劇的に変化した。RNA分子は平均してわずか215世代で安定状態に達した。これは、単独の場合に要した時間の半分以下であった。ペプチドの存在は進化の触媒として機能し、RNAがより迅速に安定した形態を見つけることを可能にしたのである。

しかし、それは速度だけの問題ではなかった。ペプチドは構造の「質」をも変えたのである。ペプチドの助けを借りて進化したRNA分子は、単なるヘアピン構造にとどまらなかった。それらは、単独では不安定になるであろう膨らみ（バルジ）や不規則なループを特徴とする、より多様で複雑な形状を発達させた。ペプチドは足場（スキャフォールディング）のように機能し、これらの扱いにくいエネルギーの高い形状を保持していた。実際、研究者たちは、ペプチドの存在下で進化したRNA分子は、ペプチドを取り除くと不安定になることを発見した。それらは構造を維持するためにペプチドに依存するようになっていたのである。このことは、ペプチドが単なる受動的な傍観者ではなく、RNAが単独で見つけられる範囲よりもはるかに広い範囲の形状を探索することを可能にする、能動的な参加者であったことを示唆している。

また、このシミュレーションは、進化するRNA分子が特別な能力を獲得したことも明らかにした。それらは、ランダムなペプチドを掴む能力を高めたのである。研究者たちが最終的なRNA鎖を新しいランダムなペプチドのセットに対してテストしたところ、ペプチドと共に進化したものほど、それらと結合する強い傾向を示した。この結合は特定のペプチド配列に対するものではなく、むしろRNAがペプチドを保持するという一般的な能力へと進化したものであった。これは、生命の起源に向けた極めて重要なステップである。もしRNAが自然にペプチドを引き付け、保持できるのであれば、それは最終的に、細胞内でタンパク質を構築する複雑な機械であるリボソームの進化へとつながり得る。リボソームの核はRNAでできており、そこはタンパク質が組み立てられる場所である。このシミュレーションは、この機械への最初の一歩が、単純なRNAが短いランダムなペプチドと協力する方法を学ぶことだった可能性を示唆している。

研究者たちは、これはあくまでコンピュータ・シミュレーションであり、古代の歴史を直接観察したものではないという点に慎重である。彼らは、これがまさに生命が始まった方法であることを証明したわけではないが、それが有力かつ強力なシナリオであることを示した。このシミュレーションは、RNAとペプチドの相互作用が、生命の起源における大きな問題、すなわち「いかにして複雑で機能的な分子を、生物学を始動させるのに十分な速さで進化させるか」という問題を解決し得たことを実証している。RNAを多様な形状で安定させ、その進化を加速させることで、これらの短いペプチドは、単純なRNAの世界と、今日我々が見ている複雑なタンパク質ベースの生命との間のミッシングリンクを提供した可能性がある。この研究は、生命の最初期段階は、おそらくパートナーシップによるものであり、RNAとペプチドが協力してその後に続くすべての基礎を築き上げた、ダイナミックな世界であったことを示唆している。