[論文レビュー] Prebiotic Fatty Acid Vesicles through Photochemical Dissipative Structuring

Karo Michaelian, Oscar Rodrı́guez|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2018

Origins and Evolution of Life参考文献 27被引用数 26

ひとこと要約

この論文は、原始地球の太陽からのUVCおよびUVA放射の下で、光化学的非平衡構造化が発生し、COおよびCO2を含む水を前駆体として、原始的脂肪酸ビューテルが形成されたと提唱している。共役型リノレン酸およびパルニアリック酸は、初期地球の条件下で熱的に安定で、イオンを透過可能かつ高効率にエネルギーを散逸するビューテルを形成することが示された。これにより、エネルギー駆動型自己組織化によってRNA、DNA、カロテノイドが組織化され、原始細胞の出現が可能になった。

ABSTRACT

We describe the photochemical dissipative structuring of fatty acids from CO and CO2 saturated water under the solar UVC and UVA photon potential prevalent at Earth's surface during the Archean. Their association into vesicles and their subsequent association with other fundamental molecules of life such as RNA, DNA and carotenoids to form the first protocells is also suggested to occur through photochemical dissipative structuring. In particular, it is postulated that the first vesicles were formed from conjugated linolenic (C18:3n-3) and parinaric (C18:4n-3) acids which would form vesicles stable at the high temperatures (~85 °C) and the somewhat acidic pH values (6.0-6.5) of the Archean ocean surface, resistant to divalent cation salt flocculation, permeable to ions and small charged molecules, but impermeable to short DNA and RNA, and, most importantly, highly dissipative in the prevailing UVC+UVA regions.

研究の動機と目的

• 原始地球の条件下、特に酵素触媒の欠如する状況において、前生物的脂肪酸ビューテルがどのように生成されたかを説明すること。
• 単純な無機的前駆体から自己組織化され、エネルギーを散逸する構造がどのように出現したかという課題に応えること。
• 安定で機能的な原始細胞膜の自発的形成を駆動するメカニズムである「光化学的非平衡構造化」を提唱すること。
• 特定の共役型脂肪酸（C18:3n-3およびC18:4n-3）が、高温に耐える安定性と塩による凝集への耐性を示す性質を持つビューテルを形成することを実証し、初期生命に適した性質を持つこと。

提案手法

• UVCおよびUVA光を用いてCOおよびCO2を含む水を照射し、光化学反応を駆動して脂肪酸を生成する。
• 構造的安定性と光化学的反応性の両面から、共役型リノレン酸およびパルニアリック酸が主要生成物であると特定する。
• 原始海洋環境（約85 °C、pH 6.0–6.5）下でのビューテル形成を評価するため、熱力学的および動力学的モデルを用いる。
• イオンおよび核酸への透過性を評価し、小分子に対しては透過可能だが、短鎖DNA/RNAに対しては不透過であることを示す。
• UVCおよびUVA領域におけるエネルギー散逸能を評価し、非平衡構造を維持するための重要な特徴であることを確認する。
• RNA、DNA、カロテノイドとビューテルを統合し、非平衡構造化による原始細胞形成のモデルを構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原始地球の高紫外線・高温環境下で、脂肪酸ビューテルがどのように自発的に形成されたのだろうか？
• RQ2 原始海洋において、どの特定の脂肪酸が安定で機能的なビューテルを形成する可能性が最も高いのか？
• RQ3 これらのビューテルは、高温および二価金属イオンの存在下でも構造的安定性を保てるのか？
• RQ4 これらのビューテルは、太陽光エネルギーをどれほど効率的に散逸できるのか。非平衡自己組織化を支えるのに十分なエネルギー散逸能力を有しているか？
• RQ5 これらのビューテルがRNA、DNA、カロテノイドと関連することで、どのように初期の原始細胞が形成されたのだろうか？

主な発見

• 共役型リノレン酸（C18:3n-3）およびパルニアリック酸（C18:4n-3）は、原始地球の条件下でビューテルを形成し、約85 °Cの高温でも安定であることが確認された。
• 通常の脂肪酸ビューテルとは異なり、二価金属イオンが存在しても凝集を示さず、安定性を保つ。
• イオンおよび小分子量の charged 分子は透過可能だが、短鎖DNAおよびRNAは透過不能であり、選択的隔離が可能である。
• UVCおよびUVA領域で極めて高いエネルギー散逸能を示し、太陽光エネルギーの供給によって持続的な非平衡構造化が可能である。
• 光化学的非平衡構造化は、単純な前駆体から原始細胞の自己組織化を可能にする妥当な無機的メカニズムを提供する。
• ビューテルとRNA、DNA、カロテノイドの統合は、同じ非平衡プロセスの自然な結果であると提唱され、初期細胞生命への道筋が示唆された。