[論文レビュー] Molecular Imprinting: The missing piece in the puzzle of abiogenesis?

K. Eric Drexler|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2018

Origins and Evolution of Life参考文献 67被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、無機的材料における分子インプリンティングを用いて、現実的な原始的条件下で活性化されていないアミノ酸の、配列特異的かつケモステレオ選択的重合を可能にする、プリバイオティックなペプチド配列複製のメカニズムとして、インプリント媒介テンプレーティング（IMT）を提案する。RNA第一モデルとは異なり、IMTは既知の現象（インプリント指向触媒作用と湿乾サイクル）を活用することで、不自然な化学反応を回避し、酵素や核酸の事前存在を必要とせず、ヘモキラリティ、遺伝情報の伝達、代謝的複雑性の出現への妥当な道筋を提供する。

ABSTRACT

In a neglected 2005 paper, Nobel Laureate Paul Lauterbur proposed that molecular imprinting in amorphous materials -- a phenomenon with an extensive experimental literature -- played a key role in abiogenesis. The present paper builds on Lauterbur's idea to propose imprint-mediated templating (IMT), a mechanism for prebiotic peptide replication that could potentially avoid a range of difficulties arising in classic gene-first and metabolism-first models of abiogenesis. Unlike models that propose prebiotic RNA synthesis, activation, and polymerization based on unknown chemistries, peptide/IMT models are compatible with demonstrably realistic prebiotic chemistries: synthesis of dilute mixtures of racemic amino acids from atmospheric gases, and polymerization of unactivated amino acids on hot, intermittently-wetted surfaces. Starting from a peptide/IMT-based genetics, plausible processes could support the elaboration of genetic and metabolic complexity in an early-Earth environment, both explaining the emergence of homochirality and providing a potential bridge to nucleic acid metabolism. Peptide/IMT models suggest directions for both theoretical and experimental inquiry.

研究の動機と目的

• プリバイオティック環境において、不自然な化学反応や事前存在する酵素を必要とせずに、遺伝的情報がどのように出現したかという長年の課題に取り組むこと。
• 分子インプリンティングを用いたアモルファス材料における安定した選択性の高い結合サイトを形成することで、ペプチドの配列特異的複製を可能にする、インプリント媒介テンプレーティング（IMT）というメカニズムを提唱すること。
• 実験的に観察された現象に基づいて、ヘモキラリティの起源や代謝から遺伝子への移行といった、アビオジェネシスモデルの主要な課題を解決すること。
• 既知のプリバイオティック化学、例えばラセミ体アミノ酸の合成や活性化されていないモノマーの重合と両立可能な、RNA第一モデルや代謝第一モデルの代替としての妥当な代替案を提示すること。
• 表面に基づく製品指向触媒作用を通じて、単純なペプチド複製から、複雑で進化的に変化する代謝的・遺伝的システムへの道筋を示すこと。

提案手法

• 特定のペプチド配列に補完的である安定した選択性の高い結合サイトを形成するために、アモルファス材料（例：シリカ、ポリマー）における分子インプリンティングを用いる。
• 多孔質で表面に固定された材料上で湿乾サイクルを実施し、希薄なプリバイオティック混合物を濃縮し、脱水反応によるペプチド結合の形成を促進する。
• 製品指向触媒作用に依存する：ペプチド生成物そのものが、同じモノマーの選択的結合と重合を促進するインプリントを形成する。
• インプリントサイトの高い特異性と安定性を活用してケモステレオ選択を実現し、対称性の破れと代謝的特化を通じてヘモキラルペプチドを優遇する。
• インプリントが自己複製分子の新たなコピーの形成を触媒することで、自己持続的サイクルを形成し、複製とダーウィニズム的進化を可能にする。
• IMTを普遍的な核酸テンプレーティングと比較し、モノマーの複雑さ、活性化、ヘモキラリティの要件が低い点を強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アモルファス材料における分子インプリンティングは、配列特異的ペプチドポリマーのプリバイオティック複製に実用的である可能性を有するか？
• RQ2 インプリント媒介テンプレーティングは、アビオジェネシスにおけるRNA第一モデルや代謝第一モデルの限界をどのように克服できるか？
• RQ3 IMTは、事前存在するキラル選択やヘモキラル前駆体を必要とせず、ヘモキラリティの出現を説明できるか？
• RQ4 IMTがプリバイオティック環境で累積的進化を支持するための物理化学的条件は何か？
• RQ5 IMTは、正確性、効率性、プリバイオティック化学との適合性という観点から、普遍的な核酸ベースのテンプレーティングと比べてどのように異なるか？

主な発見

• 分子インプリンティングは、事前活性化されたアミノ酸やヘモキラル前駆体を必要とせず、ペプチドモノマーの選択的かつケモステレオ選択的で配列特異的な結合と触媒を可能にする。
• インプリント媒介テンプレーティングは、希薄でラセミックなアミノ酸混合物でも機能し、大気ガスからの実験的に観察されたプリバイオティックなアミノ酸合成と整合的である。
• 多孔質でアモルファスな表面での湿乾サイクルは、反応物の濃縮と、活性化されていないアミノ酸からのペプチドへの重合を促進する。
• 不完全な複製であっても、十分な正確性を備えた複製が可能であるため、IMTは累積的選択を可能にするダーウィニズム的進化を支援する。
• IMTは、タンパク質様の機能的複雑性への妥当な道筋を提供し、後に核酸代謝が出現する橋渡しの役割を果たす可能性がある。
• 5アミノ酸からなるペプチド（例：メト・エンkeファリン）の情報量は、10塩基対のDNA二重鎖と同等であるが、質量比で11:1も低いことから、プリバイオティックな実現可能性がより高いと示唆される。